CN1079414A - 新型核径迹微孔膜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种利用核技术制造的新型核径迹微孔膜及其 制造方法。微孔膜的结构特征是形成的微孔具有单 锥形结构而不是现有技术的圆柱形结构，因而用作过 滤时不易堵孔并提高作业效率。其制造方法特征是 利用简便的α放射源放出的α粒子代替现有技术利 用复杂的核反应堆或加速器提供的带电重粒子形成 核径迹。成本低廉的单锥形核径迹微孔膜更适于在 科学、医学、工业等各领域中达到分离、扩散等目的。

Description

本发明是涉及利用核技术制造一种新的核径迹微孔膜。特别涉及用α粒子（α射线）制造具有单锥形微孔结构的核径迹微孔膜。

自从1963年Fleischer等发明核径迹微孔膜以来（R.L.Fleischer  et.al.，Rev.Sci.Instr.v.34p.510（1963）P.B.Price  et.al.，U.S.Pat.3，303，085（1967））。采用准直的重离子束（由重离子加速器提供）或裂变碎片（由核反应堆提供）照射云母片或塑料薄膜。在粒子射程大于膜的厚度的情况下，沿粒子径迹所形成的辐射损伤区，经适当的化学蚀刻处理后，形成穿透膜片的园柱形微孔，其数量和直径分别可以通过控制照射粒子的数量和蚀刻条件来控制。这种微孔膜在国内外均已研制及生产并已广泛地用于科学、医学及各工业领域，特别是以分离为目的的各种过滤作业中，故又称核孔滤膜（朱润生：固体核径迹探测器的原理和应用，P608-620，科学出版社，1987;B.E.Fischer  et.al.，Rev.Mod.Phys.，v.55  p.907（1983））。

由于现有技术制造核径迹微孔膜均采用核反应堆或重离子加速器提供的高能带电重粒子，因而生产成本高。虽然核径迹微孔膜具有在一定范围内任意调节孔数与较均匀直径的微孔等优良性能，但在很多场合的广泛应用仍受其高成本所限制。另外现有技术所生产核径迹微孔膜的微孔均为园柱形，在过滤作业中易被微粒堵住微孔，需要更新滤膜，而影响过滤作业。

本发明系用成本低廉且操作简易与安全的α放射源提供的α射线代替核反应堆或重离子加速器提供的高能重离子生产核径迹微孔膜，从而大大降低了生产成本。另外制成的微孔膜具有单锥形微孔结构而不是现有技术那种近似于园锥形微孔结构。因而在实际过滤作业中将滤液（气）流动方向对准单锥形孔的小孔端时即可减轻堵孔现象的产生。此外按照流体力学原理，单锥形孔的阻力较园柱形孔的小，因而滤速增大，从而提高了作业效率。

按照最简单的蚀刻模型，假设模型的总体蚀刻率V_G各向同性，且为恒值;设α粒子径迹的蚀刻速率V_T也是恒值，则蚀刻后的径迹呈园锥形，以α粒子的轨迹为其轴，在垂直入射的情况下（附图）经过t₁时间蚀刻后，薄膜表面上径迹张口的直径D₁，半锥角θ，薄膜正反二表面蚀去的厚度均为h₁。薄膜厚度由原来的L减小至l₁，如此时蚀刻的深度恰巧到达α带电粒子射程（R）的终端（即R＝V_Tt₁）。如继续经t₂时间蚀刻后，即薄膜正反面及锥形孔内又均蚀去厚度h₂而最终形成二端直径分别为D₂及d₂，厚度为l₂的单锥形微孔膜。如t₂时间越长，则d₂与D₂均增大。以上参数间的关系式可表达如下：

D₁=2V_Gt₁( (V_T-V_G)/(V_T+V_G) )1/2

θ＝sin^-1（V_G/V_T）＝sin^-1（h₁/R）;

h₁＝V_Gt₁;h₂＝V_Gt₂;R＝V_Tt₁;

l₁＝L-2h₁;l₂＝l₁-2h₂;

d₂＝2h₂（tanθ+secθ）;D₂＝d₂+2l₂tanθ;

调节或改变以上各参数即可得到需要直径（D₂及d₂）及厚度（l₂）的单锥形微孔膜。

由于α粒子的电荷与质量均远较反应堆核裂碎片或加速器产生重离子的电荷与质量为少，所以α粒子在塑料膜中形成径迹时的辐射损伤（与核粒子在材料中的限定能量损失（Restri-cted Energy Loss）有关）较小。化学蚀刻时，径迹蚀刻速率V_T虽较V_G大，但并不是V_T》V_G，即V_G/V_T值相对较大，所以化学蚀刻后形成锥形微孔的半锥角θ较大（θ＝sin^-1（V_G/V_T），故最终形成明显锥形孔。

由于用α粒子照射时利用空气吸收，调节α粒子的能量，使化学蚀刻后只能形成单向径迹蚀刻而形成单一锥形孔。

但由于α粒子的辐射损伤较小，所以V_T较小，蚀刻需要时间较长，因而薄膜正反二面总体蚀刻层h₁及h₂较厚，因而最终形成的微孔膜厚l₂较小。

为了保持必要的微孔膜厚（l₂）及必要的其它性能，所以必须尽可能提高V_T或灵敏度的方法除选择采用最优化的蚀刻条件（蚀刻剂成份、时间、蚀刻液温度）外，还必须采用合适的能影响其蚀刻特性的环境因素，如照射前后的温度，照射前后环境中的O₂或O₃含量，紫外光辐照及电场作用等，其目的均在于尽可能提高其灵敏度即V_G/V_T比值，以保证形成有需要孔径及足够厚度的单锥形微孔膜。

采用以上方法形成一个完整单锥孔形膜不仅能避免过滤作业时形成堵孔现象（滤液流向单锥孔小孔端）而且按照Poise-uille's定律（F.W.Sears等著：大学物理学，第一册p.403，人民教育出版社（1979））。

在相同压差或相同压力梯度下流过管子或孔的流量率Q与管子（孔）的直径四次方成正比。

如制成单锥形孔膜二端的直径为d₂∶D₂＝1∶2，则按照Poiseuille's定律，通过锥形微孔膜的流量率Q将为流过直径为d₂园柱形孔的微孔膜的3.3倍。即过滤作业效率至少比传统核径迹微孔膜提高了3倍以上。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细阐述：

实施例：

α放射源：电镀²³⁵U或²¹⁰Poα放射性面状源，放射性活度为10⁷-10⁸Bq

塑料薄膜：聚碳酸酯薄膜，如Makrofol  N，厚度＝18μm

化学蚀刻剂：15gKOH+40gC₂H₅OH+45gH₂O+0.1g对甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠

紫外光源：700W高压汞灯

活度为2×10⁷Bq的²³⁵U面状源上盖以专门设计准直器，使入射至Makrofol N薄膜上的α粒子的入射角为0°至29°（相对于法线方向）。α粒子在薄膜中的射程可以调节薄膜表面至α放射源表面的空气层厚度来调节，照射的时间根据需要的微孔密度决定。

将照射过α粒子的薄膜放在700W高压汞灯下进行紫外光照射，膜和紫外光灯的距离为20cm，照射时膜的温度～35℃，照射时间为10'。

然后用上述蚀刻剂在50℃蚀刻，蚀刻时间为40'。

Claims (3)

1、一种核径迹微孔膜。本发明的特征是该核径迹微孔膜具有单锥形微孔结构。

2、一种核径迹微孔膜的制造方法。本发明的特征是用α放射源产生的α射线制造核径迹微孔膜。

3、按照权利要求1和2所述核径迹微孔膜的化学蚀刻采用改变其蚀刻时的环境因素的方法包括紫外线辐照、臭氧处理、电场作用等方法。