CN116752315A - 一种聚乙烯纳米纤维微孔膜及其加工方法和生产线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚乙烯纳米纤维微孔膜，拉伸得到的聚乙烯纳米纤维微孔膜的厚度不低于3μm，孔隙率为大于65％，亚微米级平均孔径范围150‑400nm，拉伸强度大于100MPa，Gurley值小于80s/100ml。本发明以聚乙烯微孔膜为原料，通过拉伸工艺实现了聚乙烯微孔膜的聚合物基体微纤化，以及孔径由纳米级提升至亚微米级，孔隙率提升至65％以上，其纳米纤维和孔径分布均匀的特点。本发明提供的制备方法简单，绿色环保，条件温和，具有极大的工业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及微孔膜材料技术领域，具体是一种聚乙烯纳米纤维微孔膜及其加工方法和生产线。
背景技术
新能源、新材料是重点的发展方向。在此背景下，绿色环保的能源体系中新型材料是关键技术之一，譬如单价/多价阳离子交换膜、碱性电解水制氢隔膜、氢燃料电池质子交换膜及海水淡化等。其中，高性价比是推动产业发展的内核动力。当前，国内外应用前景多以多孔基底膜复合增强策略，通过在多孔材料上复合、改性，以实现高效率、低成本地推动新产业发展。
聚乙烯，因其具有良好的化学稳定性、耐电压稳定性、耐化学溶剂及优异的机械物理性能，来源丰富。基于热致相分离原理和双向拉伸工艺，已成熟工业化生产聚乙烯微孔膜，被广泛用作锂离子电池隔膜材料，性价比优良。但其孔隙率低，孔径小，难以满足高比表面积、高孔隙率、大孔径、低阻力等多功能要求。
因此，开发具有超薄厚度、高孔隙率、大孔径和低成本的聚乙烯纳米纤维微孔膜将会极大地扩宽聚乙烯的应用领域，并为潜在新产业的发展带来新的机遇。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的加工方法，以解决上述背景技术中提出的问题，其具有纳米纤维和孔径分布均匀的特点，且制备方法简单，有利于工业化实现。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一方面公开了一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的加工方法，依次包括预热工序、拉伸工序和定型工序，所述预热工序的温度为100-140℃；所述拉伸工序的MD拉伸倍率为200-600％，TD拉伸倍率为200-600％，拉伸速率为1-100mm/min；所述定型工序的温度为130-145℃。
作为本发明进一步的方案：所述拉伸工序包括同步双向拉伸、异步双向拉伸中的一种。其中，所述同步双向拉伸，是指机器方向(MD)和垂直于机器方向(TD)同时拉伸；异步双向拉伸，是指MD和TD分布拉伸。
作为本发明进一步的方案：所述预热处理前端还包括放卷工序。
作为本发明进一步的方案：所述定型处理后端还包括收卷工序。
本发明另一方面公开了一种聚乙烯纳米纤维微孔膜，其采用上述的任一项加工方法所制得。
作为本发明进一步的方案：所述聚乙烯纳米纤维微孔膜的厚度不小于3-12μm，孔隙率为60-85％，平均孔径为150-400nm。
作为本发明进一步的方案：所述聚乙烯纳米纤维微孔膜的拉伸强度大于100MPa。
作为本发明进一步的方案：所述聚乙烯纳米纤维微孔膜的Gurley值小于80s/100ml。
本发明还公开了一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的生产线，所述生产线应用上述的加工方法，生产线包括放卷机构、收卷机构、以及设于所述放卷机构和收卷机构之间的整形机构；所述整形机构包括与所述聚乙烯纳米纤维微孔膜运动方向同向排布的预热单元、拉伸单元和定型单元。
作为本发明进一步的方案：所述生产线的生产速度为20-80m/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明以市售的聚乙烯微孔膜为原料，通过拉伸设备，实现了聚乙烯微孔膜的聚合物基体微纤化，使孔径由纳米级提升至亚微米级，孔隙率提升至60％以上，其具有纳米纤维和孔径分布均匀的特点。
2、本发明提供的制备方法简单，绿色环保，条件温和，具有极大的工业化前景。可将连续拉伸获得的聚乙烯纳米纤维微孔膜卷绕至卷芯上，具有连续生产的特点。
本拉伸工艺适用于厚度为10-30μm的聚乙烯微孔膜，采用双向拉伸工艺，可以实现孔结构在平面两个方向延伸，获得类圆形孔结构，而非狭缝孔结构，提高膜的透气率。
附图说明
图1为低倍率(实施例1)拉伸所得到的聚乙烯纳米纤维微孔膜SEM图；
图2为高倍率(实施例3)拉伸所得到的聚乙烯纳米纤维微孔膜SEM图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例中所有的原料膜购自合肥星源新能源材料有限公司生产的湿法隔膜，型号为SW316E，经过检测，其厚度16μm，平均孔径为42nm，孔隙率为42％，拉伸强度120MPa，Gurley值为180s/100ml，断裂伸长率75％，结晶度为57％，熔点142℃。
生产线包含依次相连的放卷机构、整形机构和收卷机构；该整形机构包括沿原料膜移动方向依次排布的预热区、拉伸区和定型区，该三个区域采用烘箱控制温度，生产时，成品原料膜卷在放卷机构上，原料膜的一端平铺在整形机构上，并随着拉伸的进行逐渐收卷到收卷机构上。生产线的各个机构由现有的设备进行组装，其具体结构不影响最终拉伸效果，只需要设置相应的温度和拉伸参数即可，故在此不赘述生产线的具体结构。
各实施例按照以下工艺进行制备：
将原料膜卷一端进行放卷工序，并将其展开段平铺在整形机构上，按照表1中的预热温度、拉伸温度、定型温度、拉伸倍率、拉伸模式进行设置，定型完成的膜卷部分随即绕设到收卷机构上，放卷速度为40m/min。
将各实施例得到的聚乙烯微孔膜参照GB/T 36363-2018进行性能测试，测试结果如表2所示，具体的测试仪器如下：
厚度：Mahr测厚仪C1216；
Gurley值：王研式透气仪；
平均孔径：美国PMI高压毛细管孔径分析仪；
孔隙率：测厚仪C1216，电子天平BSA224S-CW；
拉伸强度，英斯特朗3340单立柱万能材料试验机；
表1
表2
| 测试项目 | 厚度/μm | 孔隙率/％ | 平均孔径/nm | Gurley值100s/100ml | 拉伸强度/MPa |
| 实施例1 | 12 | 63 | 157 | 77 | 188 |
| 实施例2 | 6 | 67 | 203 | 56 | 156 |
| 实施例3 | 4 | 80 | 405 | 29 | 114 |
| 实施例4 | 4 | 76 | 389 | 46 | 138 |
| 实施例5 | 5 | 62 | 168 | 64 | 163 |
| 实施例6 | 3 | 73 | 237 | 43 | 137 |
从表1和表2结合来看，实施例1-3设置了相同的预热温度、拉伸温度和定性温度，随着拉伸倍率的提高，得到的微孔膜平均孔径明显增加，Gurley值明显降低，说明微孔膜的透气性增加；从实施例3和实施例4对比来看，同步双向拉伸和异步双向拉伸均能实现平均孔径增加和Gurley值降低的效果，但同步双向拉伸效果更佳，这与有效拉伸倍率相关。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的加工方法，依次包括预热工序、拉伸工序和定型工序，其特征在于：
所述预热工序的温度为100-140℃；
所述拉伸工序的MD拉伸倍率为200-600％，TD拉伸倍率为200-600％，拉伸速率为1-100mm/min；
所述定型工序的温度为130-145℃。
2.根据权利要求1所述的一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的加工方法，其特征在于，所述拉伸工序包括同步双向拉伸、异步双向拉伸中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的加工方法，其特征在于，所述预热处理前端还包括放卷工序。
4.根据权利要求1所述的一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的加工方法，其特征在于，所述定型处理后端还包括收卷工序。
5.一种聚乙烯纳米纤维微孔膜，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的加工方法所制得。
6.根据权利要求5所述的一种聚乙烯纳米纤维微孔膜，其特征在于，所述聚乙烯纳米纤维微孔膜的厚度为3-12μm，孔隙率为60-85％，平均孔径为150-400nm。
7.根据权利要求5所述的一种聚乙烯纳米纤维微孔膜，其特征在于，所述聚乙烯纳米纤维微孔膜的拉伸强度大于100MPa。
8.根据权利要求5所述的一种聚乙烯纳米纤维微孔膜，其特征在于，所述聚乙烯纳米纤维微孔膜的Gurley值小于80s/100ml。
9.一种聚乙烯纳米纤维微孔膜的生产线，所述生产线应用于权利要求1-4任一项所述的加工方法，其特征在于，所述生产线包括放卷机构、收卷机构、以及设于所述放卷机构和收卷机构之间的整形机构；所述整形机构包括与所述聚乙烯纳米纤维微孔膜运动方向同向排布的预热单元、拉伸单元和定型单元。
10.根据权利要求9所述的一种生产线，其特征在于，所述生产线的生产速度为20-80m/min。
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