CN108905638B - 一种高效膜过滤材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效膜过滤材料的方法，包括如下步骤：(1)预拉伸：将经过脱油处理的聚四氟乙烯片材经预拉伸后形成第一表面与第二表面具有孔径不同的微孔的预拉带；(2)二次拉伸：对预拉带进行沿平面坐标两个方向的同步拉伸；(3)烧结定型：保持预拉带在完成二次拉伸后的状态，对完成二次拉伸的预拉带在设定温度下烧结定型，制成不对称结构薄膜；(4)将不对称结构薄膜复合到支撑基材上后制得高效膜过滤材料；在预拉伸过程中，聚四氟乙烯片材的第一表面与第二表面经不同温度地加热。采用本方法制作的不对称结构薄膜具有较高的强度，两个表面所形成的微孔的孔径不同，以吸收不同粒径的粉尘，由此具有较高过滤效率，同时保持低阻力。

Description

一种高效膜过滤材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效膜过滤材料的制备方法，属于过滤技术领域。
背景技术
膜过滤材料对于微细粉尘有着极佳的捕集作用，是控制PM2.5的有效手段，同时膜过滤材料相比普通过滤材料因有更长的清灰周期而受到用户青睐。膜过滤材料一般为表面过滤。薄膜微孔孔隙与粉尘粒径相当，主要优点在于捕集效率较高，清灰效果较好。因此，膜的质量对过滤材料的性能及使用寿命起着关键作用。但其缺点则是膜较娇嫩，易损伤破损，造成过滤材料失效，膜面也会出现开裂等现象，使膜的力学性能有提高的需要。
同时，膜过滤材料的过滤阻力决定着相关装置运行动力的费用，降低膜过滤材料的过滤阻力，意味着动力费用的降低，因此降低膜过滤材料的过滤阻力成为膜过滤材料研究的一个主要方向。
目前人们已经提出了一些方法来解决这些问题。如中国专利CN107308726A其主要特征是玻纤基布为中间层，上下两层均为毛网层的三层结构，通过控制毛网的克重控制毛网层的厚度。该方法无法有效提高过滤精度。
中国专利CN 102658038 A提及亚高效结构薄膜制备方法，通过分两步拉伸成膜，其中第一步将基带进行梯度升温逐步纵向拉伸，第二步将纵拉后的基带进行梯度升温逐步横向拉伸、烧结定型成聚四氟乙烯微孔膜。该种方法难以实现在薄膜结构可控，制备出的滤料效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度、阻力低、效率高的高效膜过滤材料的方法，包括如下步骤：
(1)预拉伸：将经过脱油处理的聚四氟乙烯片材经预拉伸后形成第一表面与第二表面具有孔径不同的微孔的预拉带；所述第一表面与第二表面为聚四氟乙烯片材的厚度方向的两个相背的表面；第一表面与第二表面为聚四氟乙烯片材的厚度方向的两个表面；
(2)二次拉伸：对预拉带进行沿平面坐标两个方向的同步拉伸；
(3)烧结定型：保持预拉带在完成二次拉伸后的状态，对完成二次拉伸的预拉带在设定温度下烧结定型，制成不对称结构薄膜；
(4)将不对称结构薄膜复合到支撑基材上后制得高效膜过滤材料；
在预拉伸过程中，聚四氟乙烯片材的第一表面与第二表面经不同温度地加热。
优选地，支撑基材为玻璃纤维织布或针刺毡。
采用本方法制作不对称结构薄膜的过程中，由于聚四氟乙烯片材的两个表面所受的加热温度不同，两个表面所形成的微孔的孔径不同，其中接触高温的表面所形成的微孔的孔径大，接触温度低的表面所形成的微孔的孔径小。在经过二次拉伸过程中，除了提高膜的强度外，微孔也同步被拉伸，但仍保持两个表面的微孔的孔径不同。烧结定型后，这种不对称的结构被固定。
膜过滤材料为表面过滤，薄膜微孔孔隙与粉尘粒径相当，起到捕集作用。针对日益严苛的环保排放标准，通过不对称结构薄膜大孔径层过滤常规粉尘，小孔径层来过滤超细粉尘，提升过滤效率，相比于常规薄膜(孔径＜1μm)，阻力更低，由于薄膜在预拉伸段两面受到的条件不一致，受到相同的外力时，会比常规结构薄膜有更加的延展性。
具体地，为保证形成大量的微孔以及为二次拉伸提供良好的拉伸基础，在预拉伸过程中，对聚四氟乙烯片材的预拉伸倍率为2-5倍。
优选地，采用加热辊组对聚四氟乙烯片材进行加热，加热辊组包括第一辊组和第二辊组，第一辊组包括至少两个第一加热辊，第二辊组包括至少两个第二加热辊，在预拉伸过程中，聚四氟乙烯片材的第一表面支撑在第一辊组中的第一加热辊上，聚四氟乙烯片材的第二表面支撑在第二辊组中的第二加热辊上。进一步，第一加热辊与第二加热辊间隔设置，即使第一加热辊与第二加热辊的数量相同或相差一个。在生产过程中，优选所有的第一加热辊的辊面温度一致，所有的第二加热辊的辊面温度一致。
采用加热辊对聚四氟乙烯片材进行加热，可以对片材的表面进行稳定地加热，而且可以加热均匀，同时可以利用加热辊与片材之间摩擦力，使对片材的的拉伸力量沿片材的长度方向较为均匀地分布，使片材在拉伸过程中，所形成的微孔的结构趋向于一致。
具体地，为使聚四氟乙烯片材在预拉伸过程中更加稳定，第一加热辊的辊面温度为160-280℃，第二加热辊的辊面温度为120-150℃。
优选地，为保证生产效率，并保证片材能够稳定地被加热，聚四氟乙烯片材进入到加热辊组前的速度为0.5-3m/min。
优选地，二次拉伸时，拉伸温度为180-300℃，拉伸线速度为2-40m/min。
在加热条件下，将PTFE薄膜沿平面坐标两个方向进行同时拉伸，使得大分子链沿拉伸方向伸展排列，促进结晶，该方法制备的薄膜开孔率高、孔径分布均匀。拉伸速度、温度是影响孔径大小、开孔率高低、断裂伸长率等性能的关键。
具体地，烧结定型时，烧结温度为260-360℃。烧结定型时间一般控制在10-60s内即可，该烧结定型时间与聚四氟乙烯片材进入到加热辊组前的速度有关，随该速度的增加，烧结定型时间缩短。
该烧结温度即为步骤(3)中所述的设定温度。烧结定型过程实际上是一个使PTFE膜内部结构稳定的一个过程，在该过程中，PTFE聚合物分子由结晶态转变为无定形态。烧结使PTFE膜结晶度降低，无定型区增大。烧结是非常重要的一步，若不经过烧结则拉伸后的PTFE膜将慢慢回缩，网状结构逐渐消失。烧结温度是影响膜片力学性能的关键。完全烧结会使得纤维重新熔合为密实结构，所以，只有适度烧结才可以保证微细纤维连接的微孔结构，提高尺寸稳定性和强度。
优选地，不对称结构薄膜经高温热压、高温点压或者热熔胶粘合的方式复合在支撑基材上。上述方式均可使不对称结构薄膜稳定地复合在支撑基材上。
附图说明
图1为采用预拉炉对聚四氟乙烯片材进行预拉伸时的示意图。
图2实施例1所制得的不对称结构薄膜的第二表面的电镜图。
图3实施例1所制得的不对称结构薄膜的第一表面的电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明
实施例1
在本申请中，将经过脱油处理的聚四氟乙烯片材称为聚四氟乙烯脱油带。
在本实施例中，聚四氟乙烯片材具体选用厚度为250μm的聚四氟乙烯脱油带10，采用预拉炉进行预拉伸。请参阅图1，在该预拉炉30内设置有第一辊组35和第二辊组37两个加热辊组，其中第一辊组35包括两个第一加热辊2、4，第二辊组37包括三个第二加热辊1、3、5，第一辊组35位于第二辊组37的上方，两个第一加热辊2、4与三个第二加热辊1、3、5间隔设置，在竖直方向上，第一加热辊2位于第二加热辊1、3之间的大致正上方，第一加热辊4位于第二加热辊3、5之间的大致正上方。在该预拉炉30的相对的两侧分别设置有进料口31和出料口33。
将聚四氟乙烯脱油带10水平放置并经进料口31输入到预拉炉中，依次绕过第二加热辊1、第一加热辊2、第二加热辊3、第一加热辊4以及第二加热辊5，进行加热和拉伸，完成拉伸的聚四氟乙烯脱油带从出料口33输出，形成预拉带20。
聚四氟乙烯脱油带10处于水平位置时，朝向下方的表面为第一表面12，与第一表面12相背的朝向上方的表面为第二表面14。聚四氟乙烯脱油带10进入预拉炉30的入口速度(即聚四氟乙烯片材进入到加热辊组前的速度)为0.5m/min。第二加热辊1、第一加热辊2、第二加热辊3、第一加热辊4以及第二加热辊5的辊面温度依次为：120℃、180℃、120℃、180℃、120℃。预拉伸倍率为3倍。
完成预拉伸后，采用双向拉伸机组继续对预拉带20进行二次拉伸，即进行沿平面坐标两个方向的双向拉伸，纵向和横向两个方向的拉伸。二次拉伸时，拉伸比为5倍，温度控制在300℃，拉伸线速度为20m/min。
完成二次拉伸后，保持对预拉带的拉伸状态，避免预拉带在内应力的作用下进行回缩，然后升温到350℃进行烧结定型，20s后，完成烧结定型，制成不对称结构薄膜，将该不对称结构薄膜与玻璃纤维织布经热压复合，制成高效膜过滤材料。
该实施例1中所制成的不对称结构薄膜的平均孔径为0.5241μm，断裂伸长率为150％，将本实施例所制成的高效膜过滤材料经粉尘过滤系统检测(检测标准：VDI 3926-2004)，效率为99.9991％，阻力为230Pa。
以实施例1的步骤为基础，进行实施例2-5，在实施例2-5中，
分别将不同厚度的聚四氟乙烯脱油带在预拉伸段，通过不同的入口速度，经过不同的辊面温度加热、在不同预拉伸倍率下形成预拉伸带。再在不同的二次拉伸温度下进行不同速度的双向同步拉伸，制得不同的不对称结构薄膜。
将制得的不对称结构薄膜与支撑基材进行复合制成高效膜过滤材料，并进行检测，检测结果见表2，检测标准：VDI 3926-2004
表1
项目 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
脱油带厚度(μm) 120 160 200 230
入口速度(m/min) 1 1.5 2 2.5
第二加热辊1(℃) 130 140 150 120
第一加热辊2(℃) 200 220 230 230
第二加热辊3(℃) 130 140 150 120
第一加热辊4(℃) 200 220 230 230
第二加热辊5(℃) 130 140 150 120
预拉伸倍率(倍) 2 3 4 5
双向拉伸线速度(m/min) 10 18 28 35
双向拉伸温度(℃) 220 260 330 350
双向拉伸倍率(倍) 5 6 7 8
烧结温度(℃) 320 330 345 350
表1中：脱油带厚度是指聚四氟乙烯脱油带的厚度；双向拉伸线速度是指二次拉伸时，纵向和横向两个方向的拉伸线速度。
表2：
项目 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
孔径(μm) 0.8154 0.6258 0.7415 0.5248
断裂伸长率(％) 162 174 180 187
支撑基材 化纤针刺毡 玻璃纤维织布 玻璃纤维复合针刺毡 玻璃纤维织布
效率(％) 99.9993 99.9994 99.9992 99.9995
阻力(Pa) 235 214 236 219
从表2中可以看出，采用本方法制备出的薄膜的孔径更小，力学性能优异；将薄膜不同的支撑基材覆合制成的过滤材料，表现出更高的效率、更低的阻力。

Claims (8)

1.一种高效膜过滤材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)预拉伸：将经过脱油处理的聚四氟乙烯片材经预拉伸后形成第一表面与第二表面具有孔径不同的微孔的预拉带；所述第一表面与第二表面为聚四氟乙烯片材的厚度方向的两个相背的表面；
(2)二次拉伸：对预拉带沿平面坐标两个方向的同步拉伸；
(3)烧结定型：保持预拉带在完成二次拉伸后的状态，对完成二次拉伸的预拉带在设定温度下烧结定型，制成不对称结构薄膜；
(4)将不对称结构薄膜复合到支撑基材上后制得高效膜过滤材料；
在预拉伸过程中，聚四氟乙烯片材的第一表面与第二表面经不同温度地加热；
采用加热辊组对聚四氟乙烯片材进行加热，加热辊组包括第一辊组和第二辊组，第一辊组包括至少两个第一加热辊，第二辊组包括至少两个第二加热辊，在预拉伸过程中，聚四氟乙烯片材的第一表面支撑在第一辊组中的第一加热辊上，聚四氟乙烯片材的第二表面支撑在第二辊组中的第二加热辊上；
第一加热辊的辊面温度为160-280℃，第二加热辊的辊面温度为120-150℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，在预拉伸过程中，对聚四氟乙烯片材的预拉伸倍率为2-5倍。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，第一加热辊与第二加热辊间隔设置。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，聚四氟乙烯片材进入到加热辊组前的速度为0.5-3m/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，二次拉伸时，拉伸温度为180-300℃，拉伸线速度为2-40m/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，烧结定型时，烧结温度为260-360℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，支撑基材为玻璃纤维织布或针刺毡。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，不对称结构薄膜经高温热压、高温点压或者热熔胶粘合的方式复合在支撑基材上。
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