CN109395595A - 一种聚四氟乙烯中空纤维膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚四氟乙烯中空纤维膜，具有三维贯通的孔隙结构，围绕孔隙的茎上有茎孔，孔隙孔径为800±200nm，茎直径为500±100nm，茎孔孔径175±25nm；孔隙的孔隙率为60±10%，茎孔的孔隙率为55±10%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=16‑30：1；内径不大于2mm。本发明提供了一种服役期长、处理效率佳的聚四氟乙烯中空纤维膜。

Description

一种聚四氟乙烯中空纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚四氟乙烯中空纤维膜及其制备方法，用于分离，尤其适用于膜蒸馏。
技术背景
聚四氟乙烯由于其使用温度范围广，同时具有优良的化学稳定性、低摩擦性和绝缘隔热性，以聚四氟乙烯为原料制备的分离膜材不仅具有优异的化学稳定性、热稳定性、电绝缘性，还具有出色的防水、防风、透湿、透气及电荷储存稳定等特性。其在制造防护服、袋式除尘器、建筑采光等方面已经表现出优异的性能。国家体育场“鸟巢”、英国的千年穹顶等均使用了大量PTFE微孔膜。然而目前的聚四氟乙烯微孔膜在应用中仍存在通量小、过滤精度低、膜孔易污染、成本高等缺点，还未能实现工业化大生产的应用。
发明人一直致力于对高分子材料的结构的研究，对材料结构的控制和改性可获得不同特性和功能的高分子材料。然而目前对于聚四氟乙烯膜结构与性能的关系并未研究透彻，如分离精度与处理效率难以兼顾；具有精密的微观结构，易于受损，服役期短，使用成本高等；聚四氟乙烯物化性能稳定，结构控制、性能改进实现难度大，加工难度大等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种服役期长、处理效率佳的聚四氟乙烯中空纤维膜。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种聚四氟乙烯中空纤维膜，具有三维贯通的孔隙结构，围绕孔隙的茎上有茎孔，孔隙孔径为800±200nm，茎直径为500±100nm，茎孔孔径175±25nm；孔隙的孔隙率为60±10%，茎孔的孔隙率为55±10%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=16-30：1；内径不大于2mm。
所述膜在用于物质的选择性分离过程中，当其中的一种或多种分子在通过材料表面和/或内部时，分子的微观结构会受到其与材料的作用以及键结构的影响，从而影响了物质的通过率和通过量，另一方面材料的微观结构也会受到影响，从而影响材料分离效力、服役期等。如此既保证了分离物质的通过效率和通过量，同时兼顾材料的使用率。茎孔在茎上的分布状况是重要因素之一。
优选的，为了进一步提高相关性能，所述聚四氟乙烯中空纤维膜，孔隙孔径为680-730nm，茎直径为420-450nm，茎孔孔径155-195nm；其中孔隙的孔隙率为50-60%，茎孔的孔隙率为55-60%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=18-20：1。
上述中空纤维膜的膜厚100-200µm。内径为0.2-2mm。
聚四氟乙烯具有稳定的惰性的物化性能，其加工不易，尤其是对于其微观结构的控制和保持更是业界难题。本发明提供了上述特殊结构的聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法，采用静电纺丝法，包括纺丝乳液制备、纺丝、预成型、烧结，所述烧结中控温控压连续烧结；所述预成型是将纺丝得到的前驱膜缠绕在圆筒支撑模上形成中空纤维形态；缠绕圈数可控制膜厚。
本发明提供具有上述结构的PTFE高分子材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）纺丝液准备：明胶溶于水中得到14-15%浓度的均匀溶液，加入聚四氟乙烯（PTFE）乳液（55-60%），使得PTFE与明胶质量比为2-3:1；
（2）纺丝：利用高压静电纺丝设备进行静电纺丝，得到均匀纳米纤维前驱膜；纺丝电压15~20kV，距离12~30cm；
（3）预成型：将纺丝得到的前驱膜缠绕在外径不大于2mm的圆筒支撑模上形成中空纤维形态；
（4）烧结：①在高真空下（3-5Pa）以5-6℃/min从室温升温到98-103℃，并保持温度和压力25-30min；②60-150s内充入氮气至压力65-70kpa，同时以4-5℃/min升温至温度值375-380℃，并在65-70kpa、375-380℃下保持10-12min；③加热结束后，5-10min内使真空至50-100Pa保持至冷却。
上述纺丝乳液制备为采用乳液聚合制备高分子聚合物颗粒，所述高分子聚合物颗粒平均粒径为15-80nm。这使得材料具有更好的茎、孔尺寸，优化了冲击韧性、抗老化性等性能。
材料的孔隙率=孔隙的孔隙率+（1-孔隙的孔隙率）*茎孔的孔隙率。
有益效果
1.本发明通过对聚四氟乙烯半透材料结构的改进，提高了材料进行物质选择的处理量和选择分离性能的持久性，材料的选择分离效率高，选择效果优异，并且材料的服役期长。
2.本发明得到刚柔并济的超疏水聚四氟乙烯纤维膜，具有稳定而坚固的纤维形态和茎孔结构，防止骨骼骨架的塌陷。
3. 本发明单位体积的有效膜面积大，容易清洗，结构简单，操作方便。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只能用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种聚四氟乙烯中空纤维膜，具有三维贯通的孔隙结构，围绕孔隙的茎上有茎孔，孔隙孔径为800±200nm，茎直径为500±100nm，茎孔孔径175±25nm；孔隙的孔隙率为60±10%，茎孔的孔隙率为55±10%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=16-30：1。膜厚100-200µm，内径为0.2-2mm。
茎表面积图像分析：用扫描电子显微镜（SEM照片，放大10000-50000倍）拍摄材料照片。用图像处理设备扫描该照片（日本Avionics公司生产的电视图像处理器TVIP-4100II，Latock系统工程公司提供的电视图像处理器）将茎与茎孔分开以获得茎和茎孔图像，通过软件处理图像，获得各自面积，可计算茎面积与茎孔面积图像总面积之比。
孔径、茎直径、孔隙率采用纳米CT检测。
此聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法，按以下步骤：
（1）纺丝液准备：明胶溶于水中得到14-15%浓度的均匀溶液，加入聚四氟乙烯（PTFE）乳液（55-60%），使得PTFE与明胶质量比为2-3:1；
（2）纺丝：利用高压静电纺丝设备进行静电纺丝，得到均匀纳米纤维前驱膜；纺丝电压15~20kV，距离12~30cm；
（3）预成型：将纺丝得到的前驱膜缠绕在外径为0.2-2mm的圆筒支撑模上形成中空纤维形态；
（4）烧结：①在高真空下（3-5Pa）以5-6℃/min从室温升温到98-103℃，并保持温度和压力25-30min；②60-150s内充入氮气至压力65-70kpa，同时以4-5℃/min升温至温度值375-380℃，并在65-70kpa、375-380℃下保持10-12min；③加热结束后，5-10min内使真空至50-100Pa保持至冷却。
所得材料疏水角154-175°。将所得PTFE材料进行膜蒸馏：用于苹果汁的处理，有着适应于工业生产的优异性能和效果。能不损害营养物质（如维生素C、总酸、TSS等）得到高浓缩果汁。膜蒸馏通量>22L/m2·h，截留率稳定在99%以上，连续进行膜蒸馏3-5个月，通量下降至原通量68-75%，清洗后材料颜色为纯白色，通量恢复到之前95%以上，服役期可长达3-5年。
实施例2
一种聚四氟乙烯中空纤维膜，具有三维贯通的孔隙结构，围绕孔隙的茎上有茎孔，孔隙孔径为680-730nm，茎直径为420-450nm，茎孔孔径155-195nm；其中孔隙的孔隙率为50-60%，茎孔的孔隙率为55-60%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=18-20：1。内径0.3-1.4mm，膜厚120-150µm。
所得材料疏水角156-175°。将所得PTFE材料进行膜蒸馏：用于苹果汁的处理，有着适应于工业生产的优异性能和效果。能不损害营养物质（如维生素C、总酸、TSS等）得到高浓缩果汁。膜蒸馏通量>25L/m2·h，截留率稳定在99%以上，连续进行膜蒸馏3-5个月，通量下降至原通量68-75%，清洗后材料颜色为纯白色，通量恢复到之前95%以上，服役期可长达3-5年。
实施例3
一种聚四氟乙烯中空纤维膜，具有三维贯通的孔隙结构，围绕孔隙的茎上有茎孔，孔隙孔径为700nm，茎直径为425nm，茎孔孔径165nm；其中孔隙的孔隙率为58%，茎孔的孔隙率为57%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=19：1。内径1.2mm，膜厚135µm。
所得材料疏水角156-175°。将所得PTFE材料进行膜蒸馏：用于苹果汁的处理，有着适应于工业生产的优异性能和效果。能不损害营养物质（如维生素C、总酸、TSS等）得到高浓缩果汁。膜蒸馏通量>25L/m2·h，截留率稳定在99%以上，连续进行膜蒸馏3-5个月，通量下降至原通量68-75%，清洗后材料颜色为纯白色，通量恢复到之前95%以上，服役期可长达3-5年。

Claims (6)

1.一种聚四氟乙烯中空纤维膜，具有三维贯通的孔隙结构，围绕孔隙的茎上有茎孔，孔隙孔径为800±200nm，茎直径为500±100nm，茎孔孔径175±25nm；孔隙的孔隙率为60±10%，茎孔的孔隙率为55±10%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=16-30：1；内径不大于2mm。
2.如权利要求1所述聚四氟乙烯中空纤维膜，孔隙孔径为680-730nm，茎直径为420-450nm，茎孔孔径155-195nm；其中孔隙的孔隙率为50-60%，茎孔的孔隙率为55-60%；所述茎的总表面积，茎面积：茎孔面积=18-20：1。
3.如权利要求1或2所述聚四氟乙烯中空纤维膜，膜厚100-200µm。
4.如权利要求3所述聚四氟乙烯中空纤维膜，内径为0.2-2mm。
5.如权利要求1-3所述聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法，采用静电纺丝法，包括纺丝乳液制备、纺丝、预成型、烧结，所述烧结中控温控压连续烧结。
6.如权利要求5所述聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法，所述预成型是将纺丝得到的前驱膜缠绕在外径不大于2mm的圆筒支撑模上。
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