CN113351033A

CN113351033A - 一种upe滤膜的制备工艺

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Publication number: CN113351033A
Application number: CN202110511414.0A
Authority: CN
Inventors: 贾建东; 陈梦泽; 庞铁生; 潘哲
Original assignee: Hangzhou Kebaite Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Kebaite Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: CN113351033B

Abstract

本发明提供了一种UPE滤膜的制备工艺，通过先配置混合物料，混合物料包括聚乙烯树脂和溶剂体系，其中聚乙烯树脂至少包括一种质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯；溶剂体系包括溶剂化合物A和非溶剂化合物B；然后将混合物料进行加热熔融混炼，形成铸膜液；接着经过模头挤出，形成液膜；随着环境温度的降低，液膜会分相固化，形成两个外表面孔洞孔径大小不同的生膜；对生膜进行同步拉伸，第一次热定型，萃取，第二次热定型，从而获得所需膜结构的UPE滤膜；该UPE滤膜是一种不对称膜，对粒径为1‑30nm的杂质颗粒具有优异的捕集性能，截留效率高；同时还具有较大的过滤速度，流体通过滤膜所需的时间较短，时间成本较低；特别适合应用于光刻胶领域。

Description

一种UPE滤膜的制备工艺

技术领域

本发明涉及膜材料技术领域，更具体的说是涉及一种UPE滤膜的制备工艺。

背景技术

聚合物滤膜，是一种以有机高分子聚合物为原材料，根据一定工艺制成的薄膜，该膜主要起着过滤分离的作用。随着石油工业和科技的发展，聚合物滤膜的应用领域不断扩大，目前已应用的领域有气体分离、海水淡化、超纯水制备、污废处理、人工脏器的制造、医药、食品、农业、化工等各方面；根据原材料高分子聚合物的不同，聚合物滤膜可以分为纤维素类聚合物滤膜，聚酰胺类聚合物滤膜，聚砜类聚合物滤膜，聚烯烃类聚合物滤膜等。

聚烯烃类聚合物滤膜，主要是指聚乙烯滤膜，聚丙烯滤膜等烯烃类滤膜，由于其具有优良的物理与化学性能，应用范围十分广泛；例如超高分子量聚乙烯(UPE)滤膜就通常应用于光刻处理和“湿式蚀刻和清洁”(WEC)应用等领域；例如申请号为201480026006.4的中国专利“液体过滤器用基材”就介绍了一种用于半导体光刻领域的聚乙烯滤膜，其对粒径约为10-50nm大小的杂质颗粒具有优异的捕集性能，同时具有较长的使用寿命，并且在长期使用过程中，其通量能够一直保持相对稳定；但是由于该膜是一种对称膜，在保证截留效率的同时，就无法保证该膜的通量，使得该膜的通量较小，这就导致了流体通过膜所需的时间过长，即过滤速率较小，时间成本过大，这也一定程度上限制了聚乙烯滤膜的发展。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种UPE滤膜的制备工艺，通过该制备工艺制得的UPE滤膜不仅对粒径为1-30nm的杂质颗粒具有优异的捕集性能，截留效率高；同时具有较大的过滤速度，即流体通过滤膜所需的时间较短，时间成本较低。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；其中聚乙烯树脂至少包括一种质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯；其中化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；

S2：将混合物料加热熔融混炼，形成铸膜液；然后经过模头挤出，形成液膜；其中模头挤出温度200-250℃；

S3：将液膜放置在温度为15-120℃的环境下进行分相固化，所述液膜两侧的温度不同，分相固化后形成生膜；所述生膜包括第一外表面和第二外表面，其中第二外表面的平均孔径大于第一外表面的平均孔径；

S4：对生膜进行拉伸处理，同时进行横向拉伸与纵向拉伸，拉伸温度为60-150℃，横向拉伸倍数为1-10倍，纵向拉伸倍数为1-10倍，横向拉伸速率为5％/s-100％/s，纵向拉伸速率为5％/s-100％/s；拉伸结束后进行第一次热定型；

S5：用萃取液萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；

S6：对原膜进行第二次热定型，制得UPE滤膜。

作为本发明的进一步改进，所述化合物A的沸点至少比化合物B的沸点低50℃；溶剂体系中化合物A的质量百分比为60％-80％，化合物B的质量百分比为20％-40％；铸膜液中聚乙烯树脂的质量分数为8-25％；所述聚乙烯树脂的堆积密度0.2-0.35g/cm³。

作为本发明的进一步改进，所述化合物A为邻苯二甲酸二甲酯、已二酸二辛酯、乙二醇二醋酸酯、碳酸二甲酯、棕榈油、三醋酸甘油酯中的至少一种，所述化合物B为石蜡油、白油、液压油、十氢化萘、蓖麻油提取物、蓖麻油中的至少一种。

作为本发明的进一步改进，所述聚乙烯树脂由60-80质量％的质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯与20-40质量％的质均分子量为100-200万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成。

作为本发明的进一步改进，S2中混合物料加热熔融混炼是指将混合物料放入挤出机中在温度为150-260℃的条件下加热熔融混炼10-30min；所述挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；所述挤出机的长径比为30-70；所述挤出机内的最高温度比模头挤出的温度至少高5℃。

作为本发明的进一步改进，S3中液膜分相固化时其中一侧的温度至少比另一侧温度高20℃，分相固化时间为1-60S；所述生膜厚度为0.5-1.5mm。

作为本发明的进一步改进，S3中液膜在进行分相固化时至少对液膜一侧进行吹气，将绝对湿度为10g H₂O/kg-30g H₂O/kg，流速为0.5-5m/s的气流吹到所述液膜表面，持续时间为1-60s。

作为本发明的进一步改进，对生膜进行拉伸处理时，纵向拉伸倍数与横向拉伸倍数之比为0.7-2。

作为本发明的进一步改进，第一次热定型时的温度为60-180℃，时间为5-120s；第一次热定型时的温度不低于拉伸温度；第二次热定型时的温度比第一次热定型时的温度高5-50℃，时间为5-120s。

作为本发明的进一步改进，S5中萃取液为二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、丙三醇、四氟乙烷和异丙醇中的至少一种；萃取温度为5-25℃；萃取时间为1-5h。

本发明基于伴有液-液相分离的热致相分离法来制备UPE滤膜，在进行制备时首先是配置混合物料，混合物料包括聚乙烯树脂和相应的溶剂体系，超高分子量聚乙烯简称UPE，它是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，由UPE制得的膜具有较高的耐热性，耐磨性，而且机械性能好，拉伸强度较大，应用范围广；本发明中所使用的聚乙烯树脂中至少包括一种质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯，即本发明中可以仅仅使用一种质均分子量超过300万的UPE作为成膜原材料，也可以进行复配，例如使用一种质均分子量超过300万的UPE和一种质均分子量小于300万高密度聚乙烯复配后作为成膜原材料；

作为优选，本发明的聚乙烯树脂由60-80质量％的质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯与20-40质量％的质均分子量为100-200万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成；相较于单单选用一种超高分子量聚乙烯,这样由超高分子量聚乙烯和高密度聚乙烯复配而成的聚乙烯树脂有利于使铸膜液中的聚乙烯含量更高(即固含量更高)，继而更容易获得孔径较小同时拉伸强度较高的聚乙烯膜；

堆积密度又称体积密度，简称堆密度，是指散粒材料(例如聚乙烯树脂颗粒)在堆积状态下单位体积的质量，可通过ISO 60测得；同等体积下，树脂颗粒的堆积密度越大，其实际质量也越大；那么在同等质量条件下，树脂颗粒的堆积密度越大，其所占的体积也越大；目前常规的聚乙烯树脂颗粒的堆积密度为0.45g/cm³左右，其堆积密度较大；而本发明中聚乙烯树脂的堆积密度0.2-0.35g/cm³，其堆积密度较小，树脂颗粒的堆积密度越小则说明了该树脂颗粒的比表面积越大，而比表面积越大，则使得在相同条件下(相同温度)，相同质量的树脂颗粒越容易溶解在相应的溶剂体系中，即本发明使用的聚乙烯树脂在熔化后，只需要较短的时间就能与溶剂体系相混合形成本发明所需要的铸膜液；而普通的聚乙烯树脂则需要在较长时间内或者在更高温度下才能与溶剂体系混合均匀，这就容易导致聚乙烯分子链段发生断裂，无法获得所需要的高分子量聚乙烯树脂，继而使得最终形成的UPE滤膜的拉伸强度也会较低；此外本发明混合物料中聚乙烯树脂的质量分数为8-25％，即固含量为8-25％，固含量过低，会导致最终的膜的拉伸强度过低，机械强度较差，无法满足实际应用的需求；固含量过高，会导致后续得到的铸膜液的粘度过高，对所用的机械设备要求过高，生产成本过高，无法批量生产；

而溶剂体系是由化合物A和化合物B组成，其中化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂，非溶剂是指当至多加热到这种化合物的沸点时，该化合物并不能溶解聚乙烯树脂形成均相溶液，仅能对聚乙烯树脂起到一定的溶胀作用；本发明中化合物A为邻苯二甲酸二甲酯、已二酸二辛酯、乙二醇二醋酸酯、碳酸二甲酯、棕榈油、三醋酸甘油酯中的至少一种；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂，溶剂是指当至多加热至化合物B的沸点温度时，化合物B能将聚乙烯树脂完全溶解，形成均相溶液；本发明中化合物B为石蜡油、白油、液压油、十氢化萘、蓖麻油提取物、蓖麻油中的至少一种；相较于选用单溶剂作为溶剂体系，本发明通过溶剂和非溶剂的复配作为相应的溶剂体系，这样的溶剂体系存在以下几个优点：1、液膜分相结束形成的生膜中更容易出现小孔，同时形成的小孔更多，孔密度更高，孔径分布也更加均匀，相应的孔隙率也更高；这是因为在液膜因为温度的改变在进行液-液相分离固化(通过热法进行分相固化)的同时，非溶剂与溶剂之间发生了扩散交换，从而进一步提高了分相固化速率，此外在溶剂体系中化合物A的含量大于化合物B的含量，即非溶剂含量大于非溶剂含量，这有利于本发明中分相固化的速率更快，晶核更容易析出，从而形成更容易出现小孔，同时形成的小孔更多，保证孔径分布的均匀性，继而保证截留效率；2、更容易成纤，纤维更容易形成，从而保证聚乙烯膜具有更高的拉伸强度，机械性能好，这是因为由于分相速率的加快，晶核更容易析出，而纤维是沿着晶核生产，从而更容易成纤；3、通过与分相固化时的温度相配合，最后的成膜更容易出现梯度孔，从而形成不对称膜；当然如果需要，可以使用另外的物质诸如抗氧化剂、成核剂、填料和类似物质作为本发明的添加剂，从而进一步提高聚乙烯滤膜的某一项性能；本发明中聚乙烯树脂和相应的溶剂体系(包括化合物A和化合物B)在温度为100-140℃的条件下搅拌混合10-24小时，从而形成混合物料；

第二步是将混合物料放入挤出机中在温度为150-260℃的条件下加热熔融混炼，从而保证聚乙烯树脂完全熔融于相应的溶剂体系中，形状均一，稳定的铸膜液；本发明混合物料是放入挤出机中进行加热熔融混炼10-30min；挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段，挤出机的长径比为30-70，这样的设置是为了保证聚合物(聚乙烯树脂颗粒)在溶剂体系中分布非常均匀，继而利于模头的挤出，最终获得理想的UPE滤膜；聚合物和溶剂体系形成的铸膜液中如果含有较多的气泡，就容易导致模头挤出的液膜中就有较多的气泡，这些气泡的存在容易使得最终形成的UPE滤膜的孔洞孔径分布不均匀(出现孔径较大的孔洞)，对杂质颗粒的截留效率较差，同时成膜的拉伸强度较差；本发明通过设置在挤出机中设置消泡段一方面保证了铸膜液中几乎没有气泡，另一方面也保证了聚乙烯树脂在溶剂体系中混合非常均匀，利于最终得到高质量的UPE滤膜；然后经过模头挤出(模头成型)，形成平板型的液膜，模头挤出温度200-250℃，作为优选，挤出机内的最高温度比模头挤出的温度至少高5℃，这样保证挤出时液膜各个区域的温度基本相同，利于后续的分相固化，继而获得理想的膜结构；

第三步是将液膜在15-120℃的温度环境下进行分相固化；在较高温度时，化合物A和化合物B组成的溶剂体系和聚乙烯树脂之间能够形成单一的均相溶液，而随着体系温度的降低，均相溶液开始发生液液分层，两液相共存，即出现聚合物含量高的一相和聚合物含量较低的另一相，继而就发生分相固化现象；而本发明中溶剂体系是溶剂与非溶剂的组合，那么除了温度的改变导致分相，溶剂与非溶剂之间的扩散交换，也会加快分相固化速率，从而形成小孔膜(分相速率越快，形成的孔洞孔径越小)，即形成本发明所需要的纳米膜；本发明中UPE滤膜是一种不对称膜，那么要求液膜两侧分相固化的速率是要求不同，即一侧高，一侧低，同时为了进一步保证膜具有较高的流速，形成一定数量的较大孔，液膜两侧的温度差至少在20℃以上，温度低的一侧形成小孔面，温度高的一侧形成大孔面；在进行分相固化时，分相固化温度高低以及分相固化的时间等因素的选择是极为关键的，这几个因素决定了分相固化速度的快慢，是否最终能够得到理想膜结构以及膜孔大小的膜；本发明中分相固化的时间为1-60s,时间相对较短，从而利于得到我们需要的理想膜结构的聚乙烯滤膜；液膜分相结束后就形成了生膜，生膜的两个表面上已经出现了一定数量，一定孔径的孔洞，且两个表面上孔洞的孔径大小不同，为了进一步获得所需要膜孔孔径的聚乙烯滤膜，本发明对生膜进行拉伸处理，目前现有的拉伸技术是先进行纵向拉伸，再进行横向拉伸；但经过研究发现，如果按照常规的拉伸技术对生膜进行处理时，生膜上的孔洞容易发生部分坍塌或者变形，最终无法获得所需要膜结构的聚乙烯滤膜，因此本发明中通过同步拉伸进行处理，即同时对生膜进行横向拉伸和纵向拉伸，这样拉伸的好处就是不仅获得了本发明所需要的膜孔孔径，提高了膜的拉伸强度，同时孔不容易发生坍塌或变形，利于最终获得本发明所需要膜结构的UPE滤膜；作为优选，纵向拉伸倍数与横向拉伸倍数之比为0.7-2，从而进一步保证膜内孔洞孔径的均匀性，进一步提高膜的截留效率；

与此同时，为了进一步加快液膜的分相速度，获得所需要孔径大小的UPE滤膜，可以在进行分相固化时至少对液膜一侧进行吹气，将绝对湿度为10g H₂O/kg-30g H₂O/kg，流速为0.5-5m/s的气流吹到所述液膜表面，持续时间为1-60s；由于UPE滤膜是一种不对称膜，那么可以对液膜一侧进行吹气，或者两侧均吹气，根据所需的膜孔结构，选择一定湿度，一定流速的气流；

拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型的作用是为了拉伸后的生膜进行初步定型，保证膜孔基本不会发生变化，同时消除拉伸产生的内部应力；第一次热定型时的温度为60-180℃，时间为5-120s；接着进行萃取，通过萃取液将溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；萃取液为二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、丙三醇、四氟乙烷和异丙醇中的至少一种；萃取温度为5-25℃；萃取时间为1-5h；通过选择合适的萃取剂和萃取条件，保证了溶剂体系从生膜中完全脱除，同时萃取所需的时间较短；萃取结束后，对原膜进行第二次热定型，第二次热定型的温度要高于第一次热定型的温度，第二次热定型的作用是一方面消除因萃取产生的内部应力，另一方面对原膜的膜孔进行最终定型，保证膜孔基本不会发生变化，获得所需要膜孔结构的UPE滤膜；最终获得的UPE滤膜不仅对粒径为1-30nm的杂质颗粒具有优异的捕集性能，截留效率高；同时具有较大的过滤速度，流体通过滤膜所需的时间较短，时间成本较低，应用范围广，还具有较高的拉伸强度，特别适合应用于光刻胶领域中。

作为本发明的进一步改进，所述UPE滤膜的厚度为1-50um；所述UPE滤膜的孔隙率为20％-60％；

在正压力为0.03MPa,温度为20℃的条件下，50ml水通过直径为47mm滤膜所需要的时间为400-5000s；

所述UPE滤膜的拉伸强度为20-100MPa，断裂伸长率为200％-800％。

膜的厚度可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考；当膜的厚度过小时，其膜的机械强度就会较低；同时由于过滤时间过短，就无法进行有效的过滤；当膜的厚度过大时，其过滤时间就会过长，时间成本过大；本发明UPE滤膜的厚度为1-50μm，优选为10-40μm，保证了本发明UPE滤膜不仅具有较高的机械强度，而且能够进行有效的过滤且过滤效率较高，过滤时间较短，时间成本较低，适合应用于光刻胶领域；

膜的孔隙率是指滤膜的膜孔体积占总体积的比例，膜孔包括开孔和闭孔两类；常用的孔隙率测试方法有压汞法，密度法和干湿膜称重法；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考；当膜的孔隙率过高时，会导致膜的拉伸强度过低，其机械性能较差，工业实用价值较低，无法满足市场需求；而当膜的孔隙率过低时，一方面会影响膜的流速，导致膜的过滤速度较慢，过滤时间较长，时间成本较大；另一方面导致膜的纳污量过低，使用寿命过短，在较短的时间内就需要更换膜，经济成本大大提高；本发明中UPE滤膜的孔隙率为20％-60％，优选为25-55％；从而使得该UPE滤膜不仅具有较高的拉伸强度，而且具有较快的过滤速度，流速大，还具有较高的纳污量，能够截留较多的杂质颗粒，使用寿命长，经济成本较低。

通过对UPE滤膜进行流速测试，在压力为0.03MPa,温度为20℃的条件下，50ml水通过直径为47mm滤膜所需要的时间为400-5000s；说明了UPE滤膜具有较大的流速，流体通过膜所需的时间较短，时间成本较低，经济效益较高，同时也说明了本发明UPE滤膜适合应用于光刻胶领域；

评价膜机械强度大小的重要指标就是膜的拉伸强度和断裂伸长率；在一定条件下，膜的拉伸强度越大，也就说明了该膜的机械强度越好；拉伸强度是指膜所能承受平行拉伸作用的能力；在一定条件下测试时，膜样品受到拉伸载荷作用直至破坏，根据膜样品破坏时对应的最大拉伸载荷和膜样品尺寸(长度)的变化等，就可以计算出膜的拉伸强度和断裂伸长率；拉伸强度，断裂伸长率均可以通过万能拉力试验机测得，拉伸强度的测试方法在本领域中是公知的，例如在ASTM D790或ISO178就详细解释了拉伸强度测试的程序；本发明中UPE滤膜的拉伸强度为20-100MPa，断裂伸长率为200％-800％；说明了本发明UPE滤膜具有较大的拉伸强度和断裂伸长率，其机械性能较好，工业实用价值较高，完全能够满足市场需求；

作为本发明的进一步改进，所述UPE滤膜的第一外表面上有若干个第一孔洞，所述第一孔洞的平均孔径为1-40nm；

所述UPE滤膜的平均孔径为3-55nm；所述第一孔洞的平均孔径小于UPE滤膜的平均孔径；

所述UPE滤膜包括含有第一外表面的分离层和含有第二外表面的支撑层，所述分离层的厚度为0.7-43μm，且分离层厚度占膜主体厚度的65％-90％；

所述UPE滤膜用于光刻胶领域。

在本发明所提供的UPE滤膜的膜体结构中，可以清楚的看到在膜的第一外表面上存在着一定数量的第一孔洞，众所周知膜孔洞的孔径大小会对膜的过滤精度产生较大的影响；本发明中第一孔洞的平均孔径为1-40nm，并且通过膜主体内的非定向曲折通路，从而使得本发明UPE滤膜能够对粒径为1-30nm左右的杂质颗粒起到很好的捕集作用，保证了过滤的精度，起到了足够的对不希望物质的保留作用；此外发现UPE滤膜的平均孔径为3-55nm且第一孔洞的平均孔径小于UPE滤膜的平均孔径；在一般情况下，膜孔洞的孔径越大，膜的流速也就越快，即流体通过膜所需的时间也就越短，时间成本也就越低；这样的膜体结构就使得本发明UPE滤膜不仅对粒径为1-30nm左右的杂质颗粒具有高效的截留效率；而且具有较大的过滤速度，在较多的时间内就能过滤较多的液体，经济效益大大提高；

其中膜第一外表面上第一孔洞的平均孔径可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量，并进行相应计算；在膜的制备过程中，在垂直于膜厚度方向上(如果膜是平板膜形态，则该方向是平面方向；如果膜是中空纤维膜形态，则该方向是垂直于半径方向)，其各项特征如孔径分布是大致均匀的，基本保持一致；所以可以通过在相应平面上部分区域的平均孔径大小，来反映该平面上整体的平均孔径大小。在实际进行测量时，可以先用电子显微镜对膜表面进行表征，获得相应的SEM图，而由于膜表面孔洞大致是均匀的，因此可以选取一定的面积，例如1μm²(1μm乘以1μm)或者25μm²(5μm乘以5μm)，具体面积大小视实际情况而定，再用相应计算机软件或者手工测出该面积上所有孔洞的孔径，然后进行计算，获得该表面上孔洞的平均孔径；而膜整体的平均孔径则可以通过PMI孔径仪测得，也可以通过泡点法，压汞法或其他测量方法测得；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考。

在膜的主体结构上，可以发现本发明膜主体分为支撑层和分离层，在分离层内孔洞的孔径较小，能够对杂质颗粒起到充分的截留作用；支撑层内孔洞的孔径相对较大，能够提高膜的流速以及纳污量；本发明中分离层的厚度为0.7-43μm，且分离层厚度占膜主体厚度的65％-90％，在滤膜中分离层的厚度大于支撑层的厚度，这保证了本发明UPE滤膜能够对粒径为1-30nm左右的杂质颗粒起到很好的捕集作用，具有较高的过滤精度；同时还具有较大的流速，过滤速度快，在较多的时间内就能过滤较多的液体，时间成本低，经济效益高，特别适合应用于光刻胶领域中；

在本发明中，不对称膜应理解为这样的膜，其中分离层和支撑层是由同种的材料组成，两层结合成为一个整体结构，并在膜制备过程中直接形成；在从分离层到支撑层的过渡中，只在膜结构方面有一变化；与此相反的是例如复合膜，复合膜有多层结构，它是用一分开的过程步骤将作为分离层的致密层涂加在一多孔，经常是微孔的支撑层或支撑膜上，复合膜中构成支撑层和分离层的材料也往往是不同的。

通过对UPE滤膜进行截留效率测试，发现本发明的UPE滤膜对粒径为1-30nm杂质颗粒的截留效率达到95％以上(作为优选，本发明的UPE滤膜对粒径为1-30nm标准金颗粒杂质的截留效率达到95％以上)，过滤精度高，能够满足实际应用的需求，具有较大的经济价值；

本发明中，以UPE滤膜的大孔面(第二外表面)作为进液面，以UPE滤膜的小孔面(第一外表面)作为出液面，这样不仅能够保证UPE滤膜对光刻胶领域的杂质颗粒具有优异的捕集性能，过滤精度高；同时具有较高的纳污量，较长的使用寿命，经济效益高。

本发明的有益效果：本发明提供了一种UPE滤膜的制备工艺，通过先配置混合物料，混合物料包括聚乙烯树脂和溶剂体系，其中聚乙烯树脂至少包括一种质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯；溶剂体系包括化合物A和化合物B，化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；然后将混合物料进行加热熔融混炼，形成铸膜液；接着经过模头挤出，形成液膜；随着环境温度的降低，液膜会分相固化，形成两个外表面孔洞孔径大小不同的生膜；对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，然后第一次热定型，萃取，第二次热定型，从而获得所需膜结构的UPE滤膜；该制备工艺方便、快速、有效，适合大规模生产制造；最终制得的UPE滤膜是一种不对称膜，不仅对粒径为1-30nm左右的杂质颗粒具有优异的捕集性能，截留效率高；同时还具有较大的过滤速度，流体通过滤膜所需的时间较短，时间成本较低；特别适合应用于光刻胶领域。

附图说明

图1为实施例4制备获得的UPE滤膜上第一外表面的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为10K×；

图2为实施例4制备获得的UPE滤膜上第一外表面进一步放大的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为50K×；

图3为实施例4制备获得的UPE滤膜上第二外表面的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为10K×；

图4为实施例4制备获得的UPE滤膜上第二外表面进一步放大的扫描电镜(SEM)图，其中放大倍率为50K×；

图5为本发明UPE滤膜流速测试的装置示意图；

图6为本发明UPE滤膜过滤精度(截留效率)测试的装置示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面以实施例的方式进行详细说明。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

如未特殊说明，在下述实施例中，制备UPE滤膜所用的原料及设备均可通过商业途径购得。本发明采用日立公司提供的型号为S-5500的扫描电镜对UPE滤膜的结构形貌进行表征。

实施例1

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；其中聚乙烯树脂是一种质均分子量为400万的超高分子量聚乙烯；聚乙烯树脂的堆积密度0.26g/cm³；化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物A为已二酸二辛酯，化合物B为石蜡油；

所述混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：14份；化合物A：58份；化合物B：28份；

S2：将混合物料在温度为160-250℃的条件下放入挤出机中加热熔融混炼20min，形成铸膜液，然后经过模头挤出，形成液膜；其中模头挤出温度235℃；所述挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；所述挤出机的长径比为60；

S3：液膜在一侧温度为30℃，另一侧温度为70℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为20s，分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为1.0mm；

S4：然后将生膜进行拉伸处理，对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，横向拉伸与纵向拉伸时的温度为120℃，横向拉伸倍数和纵向拉伸倍数均为5倍，横向拉伸和纵向拉伸的拉伸速率均为60％/s；拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为130℃，时间为60s；

S5：用萃取液二氯甲烷萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；萃取温度为15℃；萃取时间为3h；

S6：对原膜进行第二次热定型，第二次热定型时的温度为140℃，时间为70s，制得UPE滤膜。

实施例2

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物A为邻苯二甲酸二甲酯；所述化合物B为白油；该聚乙烯树脂是由75质量％的质均分子量为450万的超高分子量聚乙烯与25质量％的质均分子量为150万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成；聚乙烯树脂的堆积密度0.22g/cm³；

所述混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：20份；化合物A：53份；化合物B：27份；

S2：将混合物料在温度为180-260℃的条件下加热熔融混炼28min，形成铸膜液，然后经过模头挤出，形成液膜；模头挤出温度250℃；所述挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；所述挤出机的长径比为50；

S3：液膜在一侧温度设置为20℃，另一侧温度设置为45℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为5s，分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为0.7mm；

S4：然后将生膜进行拉伸处理，对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，横向拉伸与纵向拉伸时的温度为80℃，纵向拉伸倍数为1.5倍，横向拉伸倍数2倍，纵向拉伸速率为60％/s，横向拉伸速率为80％/s；拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为100℃，时间为50s；

S5：用萃取液异丙醇萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；萃取温度为20℃；萃取时间为2.5h；

S6：对原膜进行第二次热定型，第二次热定型时的温度为120℃，时间为60s，制得UPE滤膜。

实施例3

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；该聚乙烯树脂是由75质量％的质均分子量为400万的超高分子量聚乙烯与25质量％的质均分子量为120万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成；聚乙烯树脂的堆积密度0.24g/cm³；化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物A为碳酸二甲酯，化合物B为十氢化萘；

混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：16份；化合物A：59份；

化合物B：25份；

S2：将混合物料在温度为165-250℃的条件下加热熔融混炼24min，形成铸膜液，然后经过模头挤出，形成液膜；模头挤出温度240℃；所述挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；所述挤出机的长径比为55；

S3：液膜在一侧温度设置为28℃，另一侧温度设置为60℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为15s，分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为0.9mm；S4：然后将生膜进行拉伸处理，对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，横向拉伸与纵向拉伸时的温度为110℃，纵向拉伸倍数为5倍，横向拉伸倍数3倍，纵向拉伸速率为75％/s，横向拉伸速率为45％/s；拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为125℃，时间为50s；

S5：用萃取液丙三醇萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；萃取温度为10℃；萃取时间为4h；

S6：对原膜进行第二次热定型，第二次热定型时的温度为140℃，时间为80s，制得UPE滤膜。

实施例4

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；其中聚乙烯树脂是由80质量％的质均分子量为350万的超高分子量聚乙烯与20质量％的质均分子量为120万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成；聚乙烯树脂的堆积密度0.30g/cm³；

化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物A为三醋酸甘油酯，化合物B为蓖麻油；

混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：12份；化合物A：65份；化合物B：23份；

S2：将混合物料在温度为155-245℃的条件下加热熔融混炼18min，形成铸膜液，然后经过模头挤出，形成液膜；模头挤出温度235℃；所述挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；挤出机的长径比为45；

S3：液膜在一侧温度设置为40℃，另一侧温度设置为85℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为40s，分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为1.2mm；

S4：然后将生膜进行拉伸处理，对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，横向拉伸与纵向拉伸时的温度为130℃，横向拉伸倍数和纵向拉伸倍数均为7倍，横向拉伸和纵向拉伸的拉伸速率均为40％/s；拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为135℃，时间为45s；

S5：用萃取液二氯甲烷萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；萃取温度为18℃；萃取时间为3.5h；

S6：对原膜进行第二次热定型，第二次热定型时的温度为140℃，时间为60s，制得UPE滤膜。

实施例5

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；其中聚乙烯树脂是一种质均分子量为350万的超高分子量聚乙烯；聚乙烯树脂的堆积密度0.34g/cm³；化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物A为棕榈油，化合物B为液压油；

混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：10份；化合物A：60份；化合物B：30份；

S2：将混合物料在温度为150-240℃的条件下加热熔融混炼15min，形成铸膜液，然后经过模头挤出，形成液膜；模头挤出温度230℃；挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；挤出机的长径比为40；

S3：液膜在一侧温度设置为60℃，另一侧温度设置为110℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为60s，分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为1.4mm；

S4：然后将生膜进行拉伸处理，对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，横向拉伸与纵向拉伸时的温度为145℃，横向拉伸倍数和纵向拉伸倍数均为9倍，横向拉伸和纵向拉伸的拉伸速率均为30％/s；拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为150℃，时间为30s；

S5：用萃取液乙醇萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；萃取温度为8℃；萃取时间为5h；

S6：对原膜进行第二次热定型，第二次热定型时的温度为160℃，时间为45s，制得UPE滤膜。

实施例6

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；该聚乙烯树脂是由67质量％的质均分子量为400万的超高分子量聚乙烯与33质量％的质均分子量为180万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成；聚乙烯树脂的堆积密度0.23g/cm³；

化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物A为乙二醇二醋酸酯，化合物B为蓖麻油提取物；

混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：18份；化合物A：52份；化合物B：30份；

S2：将混合物料在温度为170-255℃的条件下加热熔融混炼22min,形成铸膜液，然后经过模头挤出，形成液膜；模头挤出温度240℃；挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；挤出机的长径比为54；

S3：液膜在一侧温度设置为25℃，另一侧温度设置为50℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为10s；在温度为25℃的一侧同时对液膜进行吹气，绝对湿度为20g H₂O/kg，流速为2m/s，持续时间为10s；分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为0.8mm；

S4：然后将生膜进行拉伸，对生膜同时进行横向拉伸和纵向拉伸，横向拉伸与纵向拉伸时的温度为90℃，纵向拉伸倍数为4倍，横向拉伸倍数2倍，纵向拉伸速率为80％/s，横向拉伸速率为40％/s；拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为110℃，时间为50s；

S5：用萃取液丙酮萃取溶剂体系，使得溶剂体系从生膜中脱除，得到原膜；其中萃取温度为17℃；萃取时间为2.5h；

S6：对原膜进行第二次热定型，第二次热定型时的温度为125℃，时间为75s，制得UPE滤膜。

对比例1

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到化合物B中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；其中聚乙烯树脂是一种质均分子量为400万的超高分子量聚乙烯；聚乙烯树脂的堆积密度0.45g/cm³；化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；化合物B为石蜡油；

所述混合物料包括下列重量份物质组成：聚乙烯树脂：14份；化合物B：86份；

S3：液膜在一侧温度为20℃，另一侧温度为60℃的环境下进行分相固化，分相固化时间为30s，分相固化结束后，形成生膜；所述生膜的厚度为1.0mm；

对比例2

一种UPE滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

S1：将聚乙烯树脂加入到由化合物A和化合物B组成的溶剂体系中搅拌混合，混合均匀后形成混合物料；其中聚乙烯树脂是一种质均分子量为350万的超高分子量聚乙烯；聚乙烯树脂的堆积密度0.45g/cm³；化合物A为聚乙烯树脂的非溶剂；

化合物B是聚乙烯树脂的溶剂；所述化合物A为三醋酸甘油酯，所述化合物B为蓖麻油；

S4：然后将生膜进行拉伸处理，对生膜先进行纵向拉伸，纵向拉伸时的温度为130℃，纵向拉伸倍数为7倍，拉伸速率为40％/s；纵向拉伸结束后再进行横向拉伸，横向拉伸温度为130℃，横向拉伸倍数为7倍，拉伸速率为40％/s；横向拉伸结束后进行第一次热定型，第一次热定型时的温度为135℃，时间为45s；

一：结构表征

用扫描电镜对各实施例以及对比例所获得的UPE滤膜进行形貌表征，然后获得所需数据；具体结果如下表:

由上表可知，本发明实施例1-6制得的UPE滤膜在第一外表面上具有一定数量，一定孔径的第一孔洞；此外整个UPE滤膜具有合适的孔径；继而有利于保证UPE滤膜对杂质颗粒物(例如标准金颗粒杂质)具有较强的截留作用，同时具有较高的流速和较大的拉伸强度，能够满足实际应用的需要。而相较于实施例1，由于对比例1中溶剂体系中仅仅只有溶剂，没有非溶剂，这会导致在分相时孔洞出现的较少，最终导致滤膜的孔隙率较低，流速较差，且拉伸强度不高；而相较于实施例4，由于对比例2中分相结束后，进行了异步拉伸，这就导致了孔的坍塌，虽然膜的平均孔径变化不大，但膜孔会变得非常不均匀，膜内会出现孔径差别较大孔洞，从而导致该膜对杂质颗粒的捕集能力较差，无法满足实际应用的需求。

由上表可知，本发明实施例1-6制得的UPE滤膜具有合适的膜厚度和分离层厚度，同时具有较高的孔隙率；而对比例1-2制得的UPE滤膜的孔隙率均较低，无法满足实际应用的需求。

性能特征

水流速测试(测试装置如图5)

实验步骤

步骤一：将IPA润湿后的待测试样装在减压过滤用支架上，关闭减压过滤架上的

阀门2，打开阀门1，启动真空泵，调整压力至测试压力0.03MPa后，关闭阀门1。

步骤二：将50ml试验液(水)装入减压过滤用支架的塑料量筒中，打开阀门2，

从某一刻度开始计时，到另一刻度计时停止；

步骤三：测试完毕，记录秒表显示的数值，当全部试验液都通过滤膜时，关闭支架上的阀门2，取出试样。

用万能拉力试验机测试各试样的拉伸强度和断裂伸长率；

试样	流速/s	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/％
				实施例1	850	60	520
实施例2	4000	85	300
				实施例3	1750	70	410
实施例4	600	55	560
				实施例5	420	50	600
实施例6	2300	75	350
				对比例1	2500	39	580
对比例2	2400	24	620

由上表可知，本发明实施例1-6制得的UPE滤膜具有较大的过滤速度，流体通过该UPE滤膜所需的时间较短，时间成本较低，单位时间经济效益较高；同时还具有较高的拉伸强度，便于进行各项加工处理，满足实际应用的需求。而对比例1-2制得的UPE滤膜的流速较小，拉伸强度较差，无法满足实际的工业化需求。

过滤精度测试：对各示例所得滤膜进行拦截效率的测试。

实验设备：天津罗根颗粒计数器KB-3；实验准备：按图6组装实验装置，确保装置清洁，使用超纯水对装置进行冲洗；取直径47mm的试样，装于蝶形过滤器中，确保组装好的过滤器气密性良好。

实验步骤：

将挑战液倒入到储罐中，注意蝶形过滤器的排气，加压至10kPa，使用洁净的瓶子接取蝶形下游滤液。

用颗粒计数器测试滤液和原液中的颗粒数。

拦截效率：

式中：

η───拦截效率，％；

n0───原液中的颗粒数，5组计数的平均值，个；

n1───滤液中的颗粒数，5组计数的平均值，个。

各示例的拦截效率测试结果如下：

由上表可知，本发明实施例1-6制得的UPE滤膜具有较大的过滤精度，其截留效率均在95％以上，对杂质粒子(例如标准金颗粒杂质)具有较强的捕集能力，特别适合应用于光刻胶领域中；而对比例1-2制得的UPE滤膜的截留效率较差，对杂质颗粒的捕集性能弱，无法满足实际的工业化需求。

将实施例1-6制得的UPE滤膜在温度为120℃的条件下放置1小时后，其收缩率均小于5％，说明了该UPE滤膜的热稳定性较高，在较高温度下，膜孔也不容易收缩或变形，从而保证膜长时间具有较高的截留效率，使用过程中流速变化较小，使用寿命长，应用范围十分广泛，特别适合应用于光刻胶领域中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S4：对生膜进行拉伸处理，同时进行横向拉伸与纵向拉伸，拉伸温度为60-150℃，

横向拉伸倍数为1-10倍，纵向拉伸倍数为1-10倍，横向拉伸速率为5%/s-100%/s，纵向拉伸速率为5%/s-100%/s；拉伸结束后进行第一次热定型；

S6：对原膜进行第二次热定型，制得UPE滤膜。

2.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：所述化合物A的沸点至少比化合物B的沸点低50℃；溶剂体系中化合物A的质量百分比为60%-80%，化合物B的质量百分比为20%-40%；铸膜液中聚乙烯树脂的质量分数为8-25%；所述聚乙烯树脂的堆积密度0.2-0.35g/cm³。

3.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：所述化合物A为邻苯二甲酸二甲酯、已二酸二辛酯、乙二醇二醋酸酯、碳酸二甲酯、棕榈油、三醋酸甘油酯中的至少一种，所述化合物B为石蜡油、白油、液压油、十氢化萘、蓖麻油提取物、蓖麻油中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：所述聚乙烯树脂由60-80质量％的质均分子量为300万以上的超高分子量聚乙烯与20-40质量％的质均分子量为100-200万且密度为0.92-0.98g/cm³的高密度聚乙烯组成。

5.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：S2中混合物料加热熔融混炼是指将混合物料放入挤出机中在温度为150-260℃的条件下加热熔融混炼10-30min；所述挤出机包含熔解段、混炼段、消泡段、加压段和挤出段；所述挤出机的长径比为30-70；所述挤出机内的最高温度比模头挤出的温度至少高5℃。

6.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：S3中液膜分相固化时其中一侧的温度至少比另一侧温度高20℃，分相固化时间为1-60S；所述生膜厚度为0.5-1.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：S3中液膜在进行分相固化时至少对液膜一侧进行吹气，将绝对湿度为10g H₂O/kg-30g H₂O/ kg，流速为0.5-5m/s的气流吹到所述液膜表面，持续时间为1-60s。

8.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：对生膜进行拉伸处理时，纵向拉伸倍数与横向拉伸倍数之比为0.7-2。

9.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：第一次热定型时的温度为60-180℃，时间为5-120s；第一次热定型时的温度不低于拉伸温度；第二次热定型时的温度比第一次热定型时的温度高5-50℃，时间为5-120s。

10.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：S5中萃取液为二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、丙三醇、四氟乙烷和异丙醇中的至少一种；萃取温度为5-25℃；萃取时间为1-5h。

11.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：所述UPE滤膜的厚度为1-50um；所述UPE滤膜的孔隙率为20%-60%；

所述UPE滤膜的拉伸强度为20-100MPa，断裂伸长率为200%-800%。

12.根据权利要求1所述的一种UPE滤膜的制备工艺，其特征在于：所述UPE滤膜的第一外表面上有若干个第一孔洞，所述第一孔洞的平均孔径为1-40nm；

所述UPE滤膜包括含有第一外表面的分离层和含有第二外表面的支撑层，所述分离层的厚度为0.7-43μm，且分离层厚度占膜主体厚度的65%-90%；

所述UPE滤膜用于光刻胶领域。