CN103007788A - 一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法。将孔径0.03～0.2微米、厚度10～50微米的拉伸聚四氟乙烯未烧结或半烧结膜分切成宽度5～25毫米宽的聚四氟乙烯带状膜；在耐温为300℃～500℃、耐腐蚀、耐有机溶剂的多孔支撑管上螺旋包缠；在300-400℃烧结所制备的缠绕有聚四氟乙烯膜的支撑管20～80秒，制备过滤层孔径为0.01～0.05微米的包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜。该包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜具有孔隙率高、孔径小、过滤层均匀一致、抗堵塞、可承受内外压、可反冲洗等优点，可用于食品浓缩、垃圾渗透液处理、油水分离、膜生物反应器等高粘度、高固含量、高污染的固液和气液分离中。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚四氟乙烯管式膜的制备方法，具体涉及一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法。
背景技术
膜分离用膜组件形式包括板框式、中空纤维式、卷式和管式四种形式，所采用的膜材料形式分别为平板膜、中空纤维膜、卷式膜和管式膜。管式膜具有结实、不宜堵、不易断的特点，维护方便。管式膜对料液的预处理要求比较简单，只需经粗格栅、细格栅去除对膜有直接损害的硬粒物质即可进机组，预处理简单。管式膜组件中料液流速高，为湍流流动，对堵塞不敏感，易于清洗，膜组件中的压力损失较小，可以在各种极端化学、温度和压力运行，特别适合于各种高粘度、高固含量、高污染的固液和气液分离，在膜分离过程中管式膜具有重要的应用价值。
管式膜大多为外径5～25毫米，管壁具有分离作用的管状膜，其结构形式大多为管状膜分离层和支撑层构成，膜分离层可以是管的内侧、外侧或双侧。管式膜的制备大多采用铸膜法，即在支撑层上通过涂覆、浸渍或浇铸铸膜液，然后通过热致或溶剂致相转换法获得管式膜，已经有多个专利和文献报道这种管式膜制备方法。管式膜的另外一种制备方法是通过平板膜包缠或绕包在支撑体上形成，通过热、粘合剂或超声波粘合平板膜重叠部位形成完整的分离层，如中国申请专利201210073607.3采用支撑无纺布包缠在芯轴上，然后在支撑无纺布外缠绕边缘重叠的条状平板膜，通过粘合或热封重叠部位，抽掉芯轴后形成管式膜。
聚四氟乙烯微孔膜具有孔隙率高、孔径可调、耐高低温、耐腐蚀、耐微生物侵袭等特点，在膜分离领域具有十分重要的应用价值。聚四氟乙烯微孔膜主要包括平板膜和中空纤维膜，已有大量文献和专利报道平板聚四氟乙烯微孔膜的制备方法，通过糊料挤出、压延、脱脂、拉伸（纵向、横向或双向）和烧结定型五道主要工序制备，但目前制备的平板聚四氟乙烯微孔膜孔径较大，大多属于微滤膜（孔径大于0.1微米）。微滤膜具有操作压力低、能耗低等优点，但也具有过滤精度低、膜孔易堵塞等缺点。本专利申请者对小孔径聚四氟乙烯微孔膜进行了深入研究，研究成果发表在Journal of Material Science，2007，42:2081-2085，并申请了相关发明专利（一种聚四氟乙烯纳米孔径滤膜的加工方法，申请号200610145995.6）。已有专利申请了不同的聚四氟乙烯中空纤维膜制备方法，如中国申请专利200310124868.4中通过在聚四氟乙烯中空纤维支撑层外绕包聚四氟乙烯微滤膜，提高聚四氟乙烯中空纤维膜的抗堵塞性能；中国申请专利201120193277.2提出另外一种绕包式聚四氟乙烯中空纤维膜制备方法；中国申请专利200910225824.8通过在聚四氟乙烯纤维、玻璃纤维、石棉纤维等编织物外绕包聚四氟乙烯膜制备聚四氟乙烯中空膜。有关聚四氟乙烯管式膜的报道和专利相对较少，中国申请专利201010138794.X给出一种无支撑柔软而多孔的聚四氟乙烯中空过滤管膜制备方法，该方法中没有采用支撑体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法。
本发明采用的技术方案的制备步骤如下：
a）将孔径0.03～0.2微米、厚度10～50微米的拉伸聚四氟乙烯未烧结或半烧结膜分切成宽度5～25毫米宽的聚四氟乙烯带状膜；
b）将步骤a）所制备的聚四氟乙烯带状膜在耐温为300℃～500℃、耐腐蚀、耐有机溶剂的外径5～25毫米、壁厚0.5～5毫米的多孔支撑管上螺旋包缠3～12层；
c）在300-400℃烧结步骤b）所制备的缠绕有聚四氟乙烯膜的支撑管20～80秒，制备过滤层孔径为0.01～0.05微米的包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜。
所述b)步骤中的螺旋包缠角为15～65度，同层内聚四氟乙烯带状膜重叠距离为带状膜宽度的0～1/10，相邻层带状膜层间错开距离为前一层带状膜宽度的1/10～1/2。
所述b)步骤中的多孔支撑管材料为金属管或无机材料管。
所述金属管为管壁孔径1～5000微米的多孔不锈钢、多孔铝合金或不锈钢丝编织管。
所述无机材料管为管壁孔径1～5000微米多孔陶瓷、碳纤维编织管或玻璃纤维编织管。
本发明和已有相关专利相比：和201210073607.3对比，本发明采用刚性支撑管而不采用芯轴辅助成型，制备方便；利用未完全烧结聚四氟乙烯在烧结时的自粘性而不采用粘合剂或热封粘合，包缠时条状膜可以部分重叠，可以不重叠，整个包缠膜分离层可以形成一个均匀的整体，因此在整个过滤管壁上过滤效果更为均匀，过滤阻力更低。和200310124868.4、201120193277.2对比，本发明为采用刚性多孔支撑体的管式膜，同时膜分离层的有效孔径在0.01-0.05微米。和200910225824.8对比，本发明采用烧结方式实现包缠膜各层之间的均匀结合，避免膜分离层在使用过程中的分层，并保证过滤精度和过滤的均匀性。和201010138794.X，本发明采用了刚性支撑体，管壁可以承受外压，同时过滤精度更高。
通过以上发明内容和已有相关专利对比，本发明具有的有益效果是：
（1）采用小孔径超微滤膜多层包缠形成孔径在0.01-0.05微米的超滤过滤层，可以有效避免膜孔堵塞，提高过滤层抗污染能力；
（2）将包缠膜制备中的烧结放在包缠后进行，利用未完全烧结聚四氟乙烯膜的自粘性实现包缠层的均匀一致粘结，所制备的管式膜过滤阻力和过滤效率在整个膜面积上更为均匀，可以实现反冲；
（3）利用多层包缠在多孔刚性支撑管上聚四氟乙烯微孔膜在烧结时的相互粘合，进一步降低包缠聚四氟乙烯膜的孔径，提高过滤精度。
（4）采用耐高温、耐腐蚀、耐溶剂的刚性支撑管，加上聚四氟乙烯本身的优异特性，所制备的管式膜可以在苛刻条件下运行，同时该管式膜可以实现内外压式过滤，应用范围更为广阔。
附图说明
附图是包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜展开外廓示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如附图所示，为包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜展开外廓示意图，图中：L1是第一层（最内层）包缠聚四氟乙烯微孔膜的宽度；L2是第二层（与第一层相邻，在第一层的外侧）包缠聚四氟乙烯微孔膜的宽度；d1为同层内缠绕膜的重叠距离，附图中所示为第一层缠绕膜的重叠距离；d2为相邻层缠绕膜的同侧错开距离，附图中所示为第二层和第一层缠绕膜的同侧错开距离。α为包缠角度，包缠角根据包缠膜宽度、厚度和包缠速度而定。
实际包缠过程中，L2和L1可以不相等，不同层的包缠角可以不同，不同层的重叠距离可以不同。为操作方便，同层内的包缠膜宽度、包缠角和重叠距离相等。
以下实施例中的小孔径聚四氟乙烯微孔膜可在申请号200610145995.6中国发明专利基础上采用不同工艺调整而制得：（1）仅进行纵向拉伸，且不经过烧结工序，得到单向拉伸未烧结聚四氟乙烯微孔膜；（2）进行纵向和横向拉伸，且不经过烧结工序，得到双向拉伸未烧结聚四氟乙烯微孔膜；（3）仅进行纵向拉伸，然后在烧结温度300℃，烧结时间15秒条件下烧结处理，得到单向拉伸半烧结聚四氟乙烯微孔膜；（4）进行纵向和横向拉伸，然后在烧结温度350℃，烧结时间10秒条件下烧结处理，得到双向拉伸半烧结聚四氟乙烯微孔膜。
实施例1：
a）将孔径0.03微米、膜厚度50微米单向拉伸未烧结聚四氟乙烯微孔膜分切成宽度为10毫米宽的聚四氟乙烯带状膜；
b）将步骤a）所制备的聚四氟乙烯带状膜在外径10毫米、壁厚0.5毫米的不锈钢丝编织管（孔径5000微米）上以65度螺旋角包缠3层，同层内带状聚四氟乙烯膜重叠距离0毫米，不同层间错开距离25毫米。
c）在400℃烧结步骤b）所制备的缠绕有聚四氟乙烯膜的支撑管20秒，制备过滤层孔径为0.01微米的包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜。
实施例2：
a）将孔径0.1微米、膜厚度30微米双向拉伸未烧结聚四氟乙烯微孔膜分切成宽度为5毫米宽的聚四氟乙烯带状膜；
b）将步骤a）所制备的聚四氟乙烯带状膜在外径25毫米、壁厚5毫米的多孔铝合金管（孔径1微米）上以50°螺旋角包缠12层，同层内带状聚四氟乙烯膜重叠距离0.5毫米，不同层间错开距离2.5毫米。
c）在380℃烧结步骤b）所制备的缠绕有聚四氟乙烯膜的支撑管80秒，制备过滤层孔径为0.03微米的包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜。
实施例3～9见表1所示。
表1：为实施例3-9
材质*注：1、多孔不锈钢，2、多孔铝合金，3、多孔陶瓷，4、碳纤维编织，5、玻璃纤维编织，
6、不锈钢丝编织。
Claims (5)
1.一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
a）将孔径0.03～0.2微米、厚度10～50微米的拉伸聚四氟乙烯未烧结或半烧结膜分切成宽度5～25毫米宽的聚四氟乙烯带状膜；
b）将步骤a）所制备的聚四氟乙烯带状膜在耐温为300℃～500℃、耐腐蚀、耐有机溶剂的外径5～25毫米、壁厚0.5～5毫米的多孔支撑管上螺旋包缠3～12层；
c）在300-400℃烧结步骤b）所制备的缠绕有聚四氟乙烯膜的支撑管20～80秒，制备过滤层孔径为0.01～0.05微米的包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜。
2.根据权利要求1所述的一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法，其特征在于：所述b)步骤中的螺旋包缠角为15～65度，同层内聚四氟乙烯带状膜重叠距离为带状膜宽度的0～1/10，相邻层带状膜层间错开距离为前一层带状膜宽度的1/10～1/2。
3.根据权利要求1所述的一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法，其特征在于：所述b)步骤中的多孔支撑管材料为金属管或无机材料管。
4.根据权利要求3所述的一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法，其特征在于：所述金属管为管壁孔径1～5000微米的多孔不锈钢、多孔铝合金或不锈钢丝编织管。
5.根据权利要求3所述的一种包缠式聚四氟乙烯超微滤管式膜的制备方法，其特征在于：所述无机材料管为管壁孔径1～5000微米多孔陶瓷、碳纤维编织管或玻璃纤维编织管。
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