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PTFE平板膜微孔膜制备技术研究进展

作者:《聚四氟乙烯过滤材料》时间:2023-03-20 10:47:47阅读数:

       PTFE平板膜微孔膜的制备方法有很多种。主要有:取成孔剂成孔法,如通过在PTFE中添加成孔剂NaCl,并将PTFE制成薄膜,然后再利用加热水洗的方法将NaCI除去,NaCl留下的空位即形成空隙,这种方法制成的微孔膜孔径最小为0.1umZhang等采用ZnA和NaCl作为成孔剂制备了PTFE微孔膜,孔径在100~200nm天津工业大学Huang等采用PTFE分散树脂在PVA辅助下浇筑成膜,通过烧结分解PVA方法制备了PTFE微孔膜,在冷拉之后形成微孔增加。总体而言,成孔剂法和辅助成膜法制备的PTFE微孔膜虽然孔径很小,但孔隙率很低。采用PTFE乳液/PVA溶液静电纺丝烧结法制备了PTFE纳米纤维膜,Kang等采用PTFE乳液/PVA作为纺丝液,制备了含有Fe203催化剂的PTFE纳米纤维膜。静电纺丝法制备PTFE纳米纤维膜的力学性能较差,一般要在纺丝载体如PVA的辅助下进行,纯PTFE纳米纤维的形成借助高温烧结分解纺载体,制备流程较长,产量较低。

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       美国杜邦公司首次采用单向拉伸法制备PTFE微孔膜,但此法难以精确控制PTFE分离膜的孔径及孔隙率。随后,美国Gore公司采用双向拉伸法制备膨体PTFE微孔膜,通过快速拉伸未烧结的PTFE挤出带,然后再对拉伸后的薄膜进行热定型处理,以提高其强度和固定其孔结构来制备PTFE微孔膜,该方法制成的微孔膜由于具有特殊的孔结构,是目前制备高性能PTFE微孔膜的主要方法,制备过程中可对PTFE分离膜的孔径、孔隙率及力学性能进行有效控制,自此PTFE双向拉伸微孔膜得以大规模生产。继美国以后,日本、瑞士、德国、英国也开展了研制工作,其中日本在这方面的研究取得了很大进展,除与Gore公司合作外,还自行研制了多层、多孔、半烧结的PTFE薄膜。

       目前,虽然双向拉伸成型工艺已经成功地应用于PTFE微孔膜的生产,但研究人员发现、在制备PTFE微孔膜的过程中,不同工艺条件下生产的PTFE微孔膜的结构性能、特别是膜的微孔结构有着很大差异。例如,通过控制PTFE烧结的程度,制备了最大孔径0.3um的微孔膜。通过纵向和横向拉伸制备了最大孔径不超过0.125um的微孔膜。报道了孔径低达0.01um的PTFE微孔膜制备方法,该薄膜是通过拉伸未烧结的PTFE,随后在没有强制的情况下烧结,然后再经二次高速拉伸而得到,薄膜孔隙率为10% ~ 50%。我国台湾中原大学James Huang等在300C下通过拉伸PTFE基带至400% ~800%,然后在340~380C温度下将膜的一面烧结5 ~ 15s,而另一面冷却处理,制备了一种非对称的多孔膜,膜的孔径为0.03 ~ 1.0um,孔隙率为20% ~70%。日本京都大学Ken-ichi Kurumada等通过机械拉伸工艺制备了PTFE微孔膜,发现该膜具有微细原纤连接岛状结点的周期结构,而这种结构的形成与拉伸工艺有关。结点随着横向拉伸倍数的增加而减小,而纵向拉伸倍数的增加对其影响不大,随着拉伸速率的提高,原纤的长度增加,而结点的宽度保持在90um附近,变化不大。日本京都大学Kitamura等[28-29]研究了热定型过程中PTFE平板膜微观形貌的演变,指出PTFE平板膜原纤节点结构在其熔点以下具有可逆性,故未经热定型的平板膜受热后尺寸不稳定,易发生热收缩;经过高温热处理后,平板膜的微孔结构稳定,且力学性能改善。另外,在制备PTFE微孔膜的过程中,所选择树脂的性能不同,对薄膜结构性能也有着重要影响。文献报道,适合制备拉伸微孔膜的PTFE原料必须在347°C有显著的熔融吸收峰,并且在稍低于这个温度处伴随着一个稍高或稍低的吸收峰。

       我国的研究人员在PTFE生料带技术的基础上,开发了双向拉伸PTFE微孔膜技术,目前在双向拉伸薄膜的工业化上取得了很大进展,并解决了国内双向拉伸PTFE薄膜技术中存在的诸多问题,这对打破国际上对我国技术封锁和产品市场垄断,促进我国PTFE微孔膜的研究和应用都具有重要意义。20世纪90年代以来,我国的科研人员对PTFE微孔膜的双向拉伸成型技术进行了深入研究,基本掌握了PTFE膜的制备规律。同时,在研制过程中还探讨各种工艺因素与薄膜结构性能之间的关联性,为优化薄膜生产工艺条件、提高薄膜的品质起到了一定的促进作用。田普锋将PTFE树脂通过糊膏挤出、高温拉伸、热定型等工艺制备了PTFE微孔膜,研究了拉伸工艺对微孔膜结构和孔性能的影响,同时还分析了热定型对微孔膜收缩率、烧结度和结晶性的影响,初步探讨了糊膏流动机理和微细纤维的形成机理,采用扫描电镜分析了挤出、拉伸过程中PTFE形态的变化和纤维一结点的微观结构形态。郝新敏等也研究了双向拉伸工艺对PTFE薄膜结构的影响。结果表明:横向扩幅倍数、纵向拉伸倍数和热固化温度越高,PTFE薄膜孔隙率和孔径越大;横向扩幅速度越高,薄膜孔隙率越大,孔径就越小。陈珊妹等研究了拉伸条件对微滤膜孔性能的影响以及拉伸过程中PTFE微孔膜微孔结构的变化,得出: 在不同机械操作阶段,微孔膜形态结构有着显著的差别;在拉伸微孔膜的整个生产工艺过程中,拉伸条件影响微孔膜的厚度、平均孔径和最大孔径等所有有关孔性能的指标;在整个PTFE微孔膜的制备过程中,热定型温度对薄膜的使用性能有着深远的影响。殷英贤认为,PTFE薄膜在加工过程中,随着定型温度的升高,PTFE的结晶度有降低的趋势,同时结晶度的变化将影响薄膜的透湿性能和力学性能。郭玉海、郝新敏等经研究发现,由常规的双向拉伸方法制得的薄膜的孔径为0.3~ 5um,难以生产孔径在0.3ur以下的薄膜,他们采用双层共拉伸加工技术减小PTFE微孔膜的孔径大小和分布范围[36],从而使其具有截留细颗粒,如细菌、粉尘等的特性,拓展了膜的应用范围。

       在PTFE微孔膜应用中,膜的孔径大小、分布及形态是要考虑的重要指标。例如,在分离过滤应用中,它们是截留凝胶或粒子的能力和通量大小的决定因素;在服装上,它们是影响层压织物防水透湿性能的重要因素。因此,近年来有许多文献研究了薄膜的孔结构与薄膜的使用性能的关系。张峰等利用具有不同结构参数的PTFE微孔膜,选择不同性质的气体,研究其透过行为与膜的厚度、孔结构之间的关系。结果表明,气体以努森扩散和黏性流动的形式透过膜孔,且透过系数与气体分子量的0.5次方成反比,与膜厚度成反比。单孔透过系数与孔半径成3.6次方的关系。沈宏庆研究了PTFE微孔膜的防水透湿机制,建立了薄膜防水和透湿模型,得到了薄膜形态结构和防水透湿性间的内在关系。郭玉海研究了PTFE覆膜防水透湿功能面料的黏合剂,确定了采用国产901黏合剂。此后,张建春等提出了层压复合织物透湿的基本理论和PTFE微孔膜的复合工艺,确定了浆点上胶的粘接方式,创建了PTFE层压织物防水透湿模型,并建立了年产300万米层压织物的复合生产线。防水透湿性能是PTFE防水透湿层压织物的重要性能指标。周小红在理论上阐述了多孔膜防水透湿织物的湿传机理,并预测了在不同环境温度下,多孔膜防水透湿织物的透湿率和结构特征。为了解决PTFE微孔膜层压织物的弹性问题,黄机质等采用双层共拉伸PTFE/PU的方法来提高膜的弹性,结果表明这种方法是可行的。当PTFE的纵向拉伸比是200%,横向拉伸比为850%,PU薄膜的厚度为0.03mm时,PTFE/PU复合膜的纵横向弹性回复率分别是82.1%和88.6%,孔隙率是78.0%,平均孔径是0.382m,水蒸气的透过率是9330g/(m2·24h)。殷英贤[44]也研究了通过在PTFE薄膜上涂敷一层亲水透气聚氨醋,来弥补PTFE微孔膜弹性不足,同时认为,由于汗渍和油垢能够被吸附在聚氨醋膜上,以避免堵塞微孔,从而确保了防水透湿织物具有长久的防水透湿效果,使PTFE/PU复合膜具有更广的推广应用价值。此外,郝新敏[45]在系统研究PTFE薄膜形态结构、传质模型和防护机理的基础上,研制了PTFE/PU选择性渗透膜和透湿舒适型生化防护材料,采用与PU共同拉伸、共同固化技术,研制出了PTFE/PU选择性渗透膜,并系统研究了其防病毒、透湿、防水等性能,结果表明:防病毒性能>99%,透湿量>10000g/(m·24h),从根本上解决了病毒防护与透湿之间的矛盾。

       我国的科研及生产人员经过多年的技术攻关已经基本解决了双向拉伸PTFE薄膜制备、生产及应用技术中存在的诸多问题,并取得了巨大进展。但与国外同类产品比较,薄膜在结构和性能上仍存在较大差异,主要表现在以下几个方面。

       (1)PTFE微孔膜制备和加工工艺流程较长,膜结构与性能演化规律比较复杂,对制备参数与膜结构及性能之间的内在关系研究和积累不够,造成膜孔径均匀度差,孔径分布宽[5],结构与性能可控性不够;

       (2)PTFE微孔膜的横向拉伸过程本身的非均匀性变形导致微孔膜厚度匀性、孔径和性能均匀性较差,薄膜的均匀性和品质有待进一步提高;(3)产品结构单一,国内PTFE微孔膜主要集中在服装用和除尘用膜,服装用膜的耐用性、除尘用膜的高效低阻性能及耐磨性仍有待进一步提高,对水过滤用膜、除菌用高泡点膜、医疗防护用高效低阻用膜等高品质薄膜,还有待进一步开发和提高,浙江理工大学郭玉海研究课题组在双向拉伸PTFE微孔膜的研究、开发和应用领域进行了多年研究,与原总后军需装备研究所及浙江格尔泰斯环保特材有限公司进行多年的产学研合作研究与开发,在PTFE平板微孔膜结构与性能调控、品质均匀性控制、表面改性及PTFE微孔膜应用方面取得了系列研究成果,本章将重点介绍在PTFE平板微孔膜制备过程中制备参数与膜结构的内在关系,以及薄膜均匀性控制等方面的主要研究成果。


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