CN109550410A - 一种聚四氟乙烯中空纤维膜及制造方法 - Google Patents

一种聚四氟乙烯中空纤维膜及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚四氟乙烯中空纤维膜及制造方法，旨在解决聚四氟乙烯多孔膜使用过程中会出现微粒未能透过过滤层而在层中堆积，造成膜孔的堵塞，进而引发过滤流速和通量降低的不足。该发明包括由多孔聚四氟乙烯纤维构成的支撑层、由聚四氟乙烯平板膜包缠在支撑层上而得到的分离层，分离层的平均孔径小于支撑层的平均孔径，设计分离层的平均孔径a和分离层的厚度b，使得（a，b）的数值落在平面直角坐标系中M区域范围内，M区域由平面直角坐标系中8个点（0.05,30）、（0.1,35）、（0.2,40）、（0.5,55）、（0.5,10）、（0.2,10）、（0.1,10）、（0.05,10）依次连接围合而成。

Description

一种聚四氟乙烯中空纤维膜及制造方法
技术领域
本发明涉及一种过滤膜，更具体地说，它涉及一种聚四氟乙烯中空纤维膜及制造方法。
背景技术
应用在过滤领域的过滤器，其关键是选择过滤材料。聚四氟乙烯是一种对酸、碱、有机溶剂以及高温环境等具有良好耐受性的高分子材料。由于聚四氟乙烯产品（如聚四氟乙烯平板膜、聚四氟乙烯中空纤维膜等）具有多孔结构，使得其在过滤领域中显现出优异的性能。聚四氟乙烯材料的微观结构为原纤维以三维网络的形式互联，从而形成大量由纤维性骨架围绕的孔，其中的骨架是由节点和原纤维构成的。聚四氟乙烯多孔膜的过滤属于深层过滤，当待过滤液中的微粒通过聚四氟乙烯多孔膜的表层，进入多孔内部时，膜孔会捕集微小粒子。如果微粒未能透过过滤层而在层中堆积，造成膜孔的堵塞，进而引发过滤流速和通量的降低。
发明内容
本发明克服了聚四氟乙烯多孔膜使用过程中会出现微粒未能透过过滤层而在层中堆积，造成膜孔的堵塞，进而引发过滤流速和通量降低的不足，提供了一种聚四氟乙烯中空纤维膜及制造方法，聚四氟乙烯中空纤维膜在过滤微粒的过程中并不发生因微粒堵塞膜孔而使得过滤流速和通量下降、过滤性能降低的现象。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种聚四氟乙烯中空纤维膜，包括由聚四氟乙烯多孔中空纤维构成的支撑层、由聚四氟乙烯平板膜包缠在支撑层上而得到的分离层，分离层的平均孔径小于支撑层的平均孔径，设计分离层的平均孔径a和分离层的厚度b，使得（a，b）的数值落在平面直角坐标系中M区域范围内，M区域由平面直角坐标系中8个点（0.05,30）、（0.1,35）、（0.2,40）、（0.5,55）、（0.5,10）、（0.2,10）、（0.1,10）、（0.05,10）依次连接围合而成。
每种孔径的分离层的厚度都有上限和下限，如果分离层的厚度低于下限，则分离层强度不够，在反洗时易破损。若分离层厚度高于上限，则待过滤液中粒径比分离层孔径小的微粒不能全部穿透整个过滤层而在过滤层中堆积，造成过滤层流速和通量下降，从而导致膜性能下降。分离层包缠在支撑层外壁上，通过熔融法将两者牢牢地连接在一起，可以长时间承受由回洗反过滤等引起的机械负载。聚四氟乙烯中空纤维膜在过滤微粒的过程中并不发生因微粒堵塞膜孔而使得过滤流速和通量下降、过滤性能降低的现象。
作为优选，聚四氟乙烯平板膜为单向拉伸聚四氟乙烯微孔膜或者双向拉伸聚四氟乙烯微孔膜中的一种。根据需要选择不同种类的聚四氟乙烯微孔膜作为分离层，使用灵活方便。
作为优选，支撑层的内径为0.5mm-2 mm，外径为1mm-3 mm。这种结构的支撑层结构强度和过滤性能好。
作为优选，支撑层的孔隙率为50-80%。有利于保证过滤效果，如果支撑层的孔隙率低于50%，则聚四氟乙烯中空纤维膜的过滤通量低；如果支撑层的孔隙率高于80%，则支撑层的强度不够。
一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制造方法，包括以下步骤：（1）将聚四氟乙烯平板膜分切成聚四氟乙烯带状膜；（2）将聚四氟乙烯带状膜包缠在聚四氟乙烯中空纤维外壁上，然后将聚四氟乙烯中空纤维膜穿过两导轮之间的间隙，两导轮之间的间隙呈圆形且比聚四氟乙烯中空纤维膜外径小2%-20%，优选5%-10%，之后聚四氟乙烯中空纤维膜在280℃-360℃下热处理，得到外侧压滤的聚四氟乙烯中空纤维膜。
聚四氟乙烯带状膜包缠在聚四氟乙烯中空纤维外壁上，并在280℃-360℃下热处理，使聚四氟乙烯带状膜和聚四氟乙烯中空纤维熔融包缠在一起，将作为分离层的聚四氟乙烯带状膜和作为支撑层的聚四氟乙烯中空纤维牢牢地粘结在一起，所以该聚四氟乙烯中空纤维膜可以长时间承受由回洗反过滤等引起的机械负载，分离层和支撑层不会出现相互分离的现象。外侧压滤的聚四氟乙烯中空纤维膜可以很容易地通过反洗而恢复聚四氟乙烯中空纤维膜的过滤性能，并且能较长时间的保持其过滤性能。两导轮对聚四氟乙烯中空纤维膜具有一定的挤压作用，使分离层和支撑层的粘结更加牢靠，保证并提高粘结效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：聚四氟乙烯中空纤维膜在过滤微粒的过程中并不发生因微粒堵塞膜孔而使得过滤流速和通量下降、过滤性能降低的现象，同时分离层与支撑层的粘结效果得到改善。
附图说明
图1是平面直角坐标系M区域的示意图；
图2是实施例和对比例中由分离层的平均孔径a、分离层的厚度b构成的点（a，b）在平面直角坐标系中的示意图；
图3是实施例和对比例制备出的聚四氟乙烯中空纤维膜抗衰减测试结果图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1：一种聚四氟乙烯中空纤维膜，包括由聚四氟乙烯多孔中空纤维构成的支撑层、由聚四氟乙烯平板膜包缠在支撑层上而得到的分离层，分离层的平均孔径小于支撑层的平均孔径，设计分离层的平均孔径a和分离层的厚度b，a和b的单位均为μm，使得（a，b）的数值落在平面直角坐标系中M区域范围内，如图1所示，M区域由平面直角坐标系中8个点（0.05,30）、（0.1,35）、（0.2,40）、（0.5,55）、（0.5,10）、（0.2,10）、（0.1,10）、（0.05,10）依次连接围合而成。聚四氟乙烯平板膜为单向拉伸聚四氟乙烯微孔膜或者双向拉伸聚四氟乙烯微孔膜中的一种。支撑层的内径为0.5mm-2 mm，外径为1mm-3 mm。支撑层的孔隙率为50-80%。
一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制造方法，包括以下步骤：
（1）将平均孔径0.07 μm，厚度20 μm的聚四氟乙烯单向拉伸微孔膜分切成10 mm的聚四氟乙烯带状膜；
（2）将聚四氟乙烯带状膜螺旋包缠在平均孔径为1 μm、内径为0.5 mm、外径为1 mm、孔隙率为50%的聚四氟乙烯中空纤维外壁上，然后将聚四氟乙烯中空纤维膜穿过两导轮之间的间隙，两导轮之间的间隙呈圆形且比聚四氟乙烯中空纤维膜外径小2%，之后聚四氟乙烯中空纤维膜在280℃下烧结热处理30秒，得到外侧压滤的聚四氟乙烯中空纤维膜。两导轮外壁上均设有呈内凹半圆形的导向环槽。两导轮转动的同时带动聚四氟乙烯中空纤维膜向外输送。
分离层平均孔径为0.07 μm、厚度为20 μm，即（a, b）=（0.07, 20）在M区域内，测得分离层与支撑层的粘结强度为0.3 MPa。
实施例2：一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制造方法，包括以下步骤：
（1）将平均孔径0.3 μm，厚度30 μm的聚四氟乙烯单向拉伸微孔膜分切成10 mm的聚四氟乙烯带状膜；
（2）将聚四氟乙烯带状膜螺旋包缠在平均孔径为5μm、内径为2 mm、外径为3 mm、孔隙率为70%的聚四氟乙烯中空纤维外壁上，然后将聚四氟乙烯中空纤维膜穿过两导轮之间的间隙，两导轮之间的间隙呈圆形且比聚四氟乙烯中空纤维膜外径小20%，之后聚四氟乙烯中空纤维膜在360℃下烧结热处理5秒，得到外侧压滤的聚四氟乙烯中空纤维膜。两导轮外壁上均设有呈内凹半圆形的导向环槽。两导轮转动的同时带动聚四氟乙烯中空纤维膜向外输送。
分离层平均孔径为0.3μm、厚度为30μm，即（a, b）=（0.3, 30）在M区域内，测得分离层与支撑层的粘结强度为0.3 5Mpa。
实施例3：一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制造方法，包括以下步骤：
（1）将平均孔径0.4 μm，厚度30 μm的聚四氟乙烯双向拉伸微孔膜分切成10 mm的聚四氟乙烯带状膜；
（2）将聚四氟乙烯带状膜螺旋包缠在平均孔径为5μm、内径为2 mm、外径为3 mm、孔隙率为70%的聚四氟乙烯中空纤维外壁上，然后将聚四氟乙烯中空纤维膜穿过两导轮之间的间隙，两导轮之间的间隙呈圆形且比聚四氟乙烯中空纤维膜外径小10%，之后聚四氟乙烯中空纤维膜在340℃下烧结热处理20秒，得到外侧压滤的聚四氟乙烯中空纤维膜。两导轮外壁上均设有呈内凹半圆形的导向环槽。两导轮转动的同时带动聚四氟乙烯中空纤维膜向外输送。
分离层平均孔径为0.4μm、厚度为30μm，即（a, b）=（0.4, 30）在M区域内，测得分离层与支撑层的粘结强度为0.37 MPa。
对比例1
（1）将平均孔径0.3 μm，厚度60 μm的聚四氟乙烯单向拉伸微孔膜分切成10 mm的聚四氟乙烯带状膜；
（2）将聚四氟乙烯带状膜包缠在平均孔径为5 μm、内径为2 mm、外径为3 mm、孔隙率为70%的聚四氟乙烯中空纤维外壁上。将包缠好的聚四氟乙烯中空纤维膜在360℃下烧结5秒。
分离层平均孔径为0.3 μm、厚度为60 μm，即（a, b）=（0.3, 60）在M区域外，测得分离层与支撑层的粘结强度为0.22 MPa。
对比例2
（1）将平均孔径0.4 μm，厚度100 μm的聚四氟乙烯双向拉伸微孔膜分切成10 mm的聚四氟乙烯带状膜；
（2）将聚四氟乙烯带状膜包缠在平均孔径为5 μm、内径为2 mm和外径为3 mm、孔隙率为70%的聚四氟乙烯中空纤维外壁上。将包缠好的聚四氟乙烯中空纤维膜在340℃下烧结20秒。
分离层平均孔径为0.4 μm、厚度为100 μm，即（a, b）=（0.4, 100）在M区域外，测得分离层与支撑层的粘结强度为0.19 MPa。
如图2所示，本发明实施例和对比例中由分离层的平均孔径a、分离层的厚度b构成的点（a，b）在平面直角坐标系中的位置。
如图3所示，本发明实施例和对比例制备出的聚四氟乙烯中空纤维膜抗衰减测试结果图，测试方法如下：
取两根聚四氟乙烯中空纤维膜，弯成U形，将膜丝靠近开口端用胶粘剂封装，并保持膜丝开口，取膜丝有效长度约30 cm，作为抗污染测试膜元件。设计运行水通量为60 L/m2.h。将测试膜元件固定，在膜丝外侧施加一定的压力，维持膜丝的水通量为60 L/m2.h，记录下运行时间与运行压力的数据。每运行30 min，需要用RO水反洗2 min，做3次循环。
聚四氟乙烯中空纤维膜的分离层与支撑层的粘结强度测试方法如下：
取两根聚四氟乙烯中空纤维膜，弯成U形，将膜丝开口端用胶粘剂封装，并保持膜丝开口，取膜丝有效长度约30 cm，作为粘结强度测试膜元件。将测试膜元件固定，并将中空纤维膜置入水中，然后向中空纤维膜内腔经减压阀缓慢通入高压气体。缓慢提高气体压力，每升高0.05 MPa，保持压力等待1 min，同时观察中空纤维膜上的分离层是否有破裂现象。当中空纤维膜的分离层出现破裂时的气体压力即为中空纤维支撑层与分离层的粘结强度。
以上所述的实施例只是本发明较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种聚四氟乙烯中空纤维膜，其特征是，包括由聚四氟乙烯多孔中空纤维构成的支撑层、由聚四氟乙烯平板膜包缠在支撑层上而得到的分离层，分离层的平均孔径小于支撑层的平均孔径，设计分离层的平均孔径a和分离层的厚度b，使得（a，b）的数值落在平面直角坐标系中M区域范围内，M区域由平面直角坐标系中8个点（0.05,30）、（0.1,35）、（0.2,40）、（0.5,55）、（0.5,10）、（0.2,10）、（0.1,10）、（0.05,10）依次连接围合而成。
2.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯中空纤维膜，其特征是，聚四氟乙烯平板膜为单向拉伸聚四氟乙烯微孔膜或者双向拉伸聚四氟乙烯微孔膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯中空纤维膜，其特征是，支撑层的内径为0.5mm-2 mm，外径为1mm-3 mm。
4.根据权利要求1所述的一种聚四氟乙烯中空纤维膜，其特征是，支撑层的孔隙率为50-80%。
5.一种权利要求1至4任意一项所述的聚四氟乙烯中空纤维膜的制造方法，其特征是，包括以下步骤：（1）将聚四氟乙烯平板膜分切成聚四氟乙烯带状膜；（2）将聚四氟乙烯带状膜包缠在聚四氟乙烯中空纤维外壁上，然后将聚四氟乙烯中空纤维膜穿过两导轮之间的间隙，两导轮之间的间隙呈圆形且比聚四氟乙烯中空纤维膜外径小2%-20%，之后聚四氟乙烯中空纤维膜在280℃-360℃下热处理，得到外侧压滤的聚四氟乙烯中空纤维膜。
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