Isoporous double layer hollow fiber by co-extrusion for membrane and other applications

Abstract

The aim of this work was to examine the feasibility of the co-extrusion method for the fabrication of sturdy isoporous hollow fiber membranes. To fabricate the isoporous structure on the selective surface of the membranes by the SNIPS method (combination of self-assembly and non-solvent induced phase separation), polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) was selected as the outer layer forming material. The biggest challenge in co-extrusion was to prevent delamination between the layers and to integrate them at the interface. The challenge of fabricating a delamination free double layer hollow fiber by a one step co-extrusion was overcome by utilizing the concept of interfacial bond formation between the layers. For this purpose, a commercial polymer, polyethersulfone (PESU) was sulfonated (sPESU) and the blend of PESU and sPESU was engaged in forming the support layer.[1]

PESU/sulfonated polymer blend solutions were analyzed and modified with the aim to find the compositions that would render into a support layer with less resistance. Hollow fibers containing a PESU/sPESU blend were found to be impermeable to water, although the higher amount of sulfonic acid groups was detected on their surface by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The addition of ethylene glycol and poly(sodium 4-styrene sulfonate) to the spinning dopes of PESU/sPESU blends resulted in permeable hollow fiber membranes. By using this additive system, an increase in the water permeation of PESU/sulfonated polyphenylenesulfone (sPPSU) blend hollow fibers was evident as well.[2]

In the end, an innovative approach for the macroporous film formation is introduced. The implementation of the concept of “diffuse-in, droplet formation, and then condense-out” behavior of glycerol in a co-extrusion method of hollow fiber spinning made macroporous film formation possible in an interminable way sidestepping the use of the established breath figure assembly method. Moreover, the continuous film formation by the proposed mechanism was also authenticated in flat sheet geometry by employing two casting blades in a casting machine.[3]

Reference: [1] N. Noor, J. Koll, M. Radjabian, C. Abetz, V. Abetz, Macromolecular Rapid Communications 2016, 37, 414. [2] N. Noor, J. Koll, N. Scharnagl, C. Abetz, V. Abetz, Membranes 2018, 8, 54. [3] N. Noor, J. Koll, C. Abetz, H. Notzke, V. Abetz, Scientific Reports 2017, 7, 8050.

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Zweckmäßigkeit des Koextrusionsverfahrens für die Herstellung stabiler isoporöser Hohlfasermembranen zu untersuchen. Zur Erzeugung der isoporösen Struktur auf der selektiven, äußeren Oberfläche der Membran mittels des SNIPS-Verfahrens (Kombination aus der Selbstorganisation amphiphiler Blockcopolymere und der Nicht-Lösemittel induzierten Phasenseparation) wurde Polystyrol-block-poly(4-vinylpyridin) (PS-b-P4VP) als Material gewählt. Diese Ergebnisse dienten als Ausgangspunkt für die Koextrusionsoptimierung. Die wichtigste Herausforderung bei der Koextrusion bestand darin, die Delamination der Schichten zu verhindern und diese an den Grenzflächen zu verbinden. Mittels der Bildung von Grenzflächenbindungen zwischen den Schichten gelang es letztendlich, delaminationsfreie Doppelschichthohlfasern in einem einstufigen Koextrusionsprozess herzustellen. Hierfür wurde das kommerziell erhältliche Polymer Polyethersulfon (PESU) zu sulfoniertem PESU (sPESU) funktionalisiert. Ein Polymerblend aus PESU und sPESU wurde für die Bildung der Stützschicht verwendet.[1]

Um eine Stützschicht mit geringerem Fließwiderstand gegenüber Wasser zu erzeugen, wurden verschiedene Blends aus PESU und sulfonierten Polymeren untersucht und modifiziert. PESU/sPESU enthaltende Hohlfasern erwiesen sich weiterhin als wasserundurchlässig, obwohl eine höhere Menge an Sulfonsäuregruppen an deren Oberflächen durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nachgewiesen wurde. Die Zugabe von Ethylenglykol und Poly(Natrium-4-Styrolsulfonat) zur Spinnlösung der PESU/sPESU-Blends führte zu einer permeablen Hohlfasermembran. Unter Verwendung dieses Additivsystems wurde ebenfalls eine Zunahme der Wasserpermeabilität bei Hohlfasern aus Blends von PESU und sulfoniertem Polyphenylensulfon (sPPSU) verzeichnet.[2]

Am Ende wird ein innovativer Ansatz für die makroporöse Filmbildung vorgestellt. Dies erlaubte das simultane Koextrudieren von bis zu vier verschiedenen Flüssigkeiten. Die Umsetzung des Konzepts des „Eindiffundierens, der Tröpfchenbildung und dann Auskondensierens“ von Glyzerin in einem Koextrusionsverfahren des Hohlfaserspinnens ermöglichte eine kontinuierliche makroporöse Filmbildung, die die Verwendung der etablierten Breath-Figure-Methode umgeht. Darüber hinaus wurde die kontinuierliche Filmbildung durch den vorgeschlagenen Mechanismus auch in einer Flachmembrangeometrie realisiert, indem zwei Gießklingen in einer Gießmaschine verwendet wurden.[3]

Referenz: [1] N. Noor, J. Koll, M. Radjabian, C. Abetz, V. Abetz, Macromolecular Rapid Communications 2016, 37, 414. [2] N. Noor, J. Koll, N. Scharnagl, C. Abetz, V. Abetz, Membranes 2018, 8, 54. [3] N. Noor, J. Koll, C. Abetz, H. Notzke, V. Abetz, Scientific Reports 2017, 7, 8050.