一種超疏水聚四氟乙烯纖維膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于分離領(lǐng)域的分離膜材的制備方法，具體涉及一種疏水膜材的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]疏水性是聚四氟乙烯(PTFE)材料的重要性質(zhì)，是聚四氟乙烯多孔膜被應(yīng)用于膜材料的主要性能。聚四氟乙烯材料雖然具有低表面能，但是，光滑聚四氟乙烯平面的水接觸角在98到112°之間，疏水性能并不佳。
[0003]目前聚四氟乙烯多孔膜制備多采用雙向拉伸方法。這種方法要想得到較高孔隙率的薄膜時，需要對薄膜進(jìn)行大比例拉伸，無法對表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，且膜厚僅在十幾微米以下，使用中需要支撐材料，而支撐材料本身往往在耐熱性或化學(xué)穩(wěn)定性或疏水性能上有一定局限，因而限制了這種雙向拉伸膜的應(yīng)用。同時高比例拉伸往往難以控制膜的形狀，因此主要以平板膜為主。中國專利 CN1775847A、CN102007242A、CN101543734B、CN102151494A 等專利都基于以上雙向拉伸工藝進(jìn)行聚四氟乙烯多孔膜制備。
[0004]載體法是制備聚四氟乙烯纖維的重要方法，CN101994161A和CN102282301A等專利采用靜電紡絲技術(shù)對聚四氟乙烯超細(xì)纖維的制備進(jìn)行了報道。這些報道中都涉及高溫?zé)Y(jié)除去成纖載體的步驟，但是這些燒結(jié)過程僅關(guān)注成纖模板的去除。具體地說:CN101994161A的目的是制備一種聚四氟乙烯超細(xì)纖維，其制備方法是采用聚乙烯醇作載體，通過靜電紡絲方法紡織出聚四氟乙烯纖維前體，后處理方法為將聚四氟乙烯纖維前體在100?120°C下干燥5?15分鐘，再于280?350°C下燒結(jié)30?90分鐘；燒結(jié)的目的是為了使聚乙烯醇分解而去除。而CN102282301A的主要是提供一種聚四氟乙烯墊的改進(jìn)方法，其目的是為了改進(jìn)電紡的工藝參數(shù)(紡絲液粘度)來獲得直徑均勻的聚四氟乙烯纖維墊前體，再于400°C下燒結(jié)得到聚四氟乙烯纖維墊，載體(成纖聚合物)的灰分小于5%。CN101994161A和CN102282301A等專利采用靜電紡絲技術(shù)對聚四氟乙烯超細(xì)纖維(墊)，僅考慮了如何得到聚四氟乙烯超細(xì)纖維(墊)，可以說只得到常規(guī)聚四氟乙烯超細(xì)纖維(墊)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種聚四氟乙烯膜的制備方法，通過控制含成纖載體的聚四氟乙烯前驅(qū)膜的后處理燒結(jié)條件，通過程序控溫的方法精密控制燒結(jié)條件和冷卻條件以得到纖維形態(tài)保持完好并具有串珠狀結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維網(wǎng)狀膜，這種納米尺度的特殊結(jié)構(gòu)與超細(xì)纖維一道形成具有多級粗糙結(jié)構(gòu)的疏水表面。因而具有超疏水性能。
[0006]本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實現(xiàn):
[0007]—種聚四氟乙烯膜的制備方法，包括紡絲液配液、制纖、燒結(jié)，其特征在于:成纖載體與溶劑配制成溶液后加入聚四氟乙烯乳液，成纖載體為明膠，溶劑為水；燒結(jié)采用程序控溫分段連續(xù)燒結(jié)，在流動氣氛下，在90°C?120°C保溫30?120min，以3?10°C /min的速率從 90°C?120°C升溫到 260°C?300°C，在 260°C?300°C保溫 30 ?120min ;以 2 ?8°C /min的速率從260°C?300°C升溫到370°C?390°C，在370°C?390°C保溫5?120min ;燒結(jié)后的冷卻處理，所述冷卻在流動氣氛下，以3?15°C /min的速率從360°C?400°C降溫至150?200°C，在150?200°C保溫30?120min，然后自然冷卻。
[0008]通過控制含成纖載體的聚四氟乙烯前驅(qū)膜的后處理燒結(jié)條件，在應(yīng)力作用下，在載體保護(hù)作用下，聚四氟乙烯顆粒開始重新取向排列，隨后在恰當(dāng)時機(jī)載體分解，聚四氟乙烯顆粒進(jìn)一步取向重排，形成串珠狀的超細(xì)纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用所述的程序控制條件進(jìn)行制備方可制得具有特殊結(jié)構(gòu)的超疏水聚四氟乙烯纖維膜。若不在本發(fā)明的程序控制條件下，如CN101994161A所述于280-350°C下燒結(jié)30-90分鐘，則無法獲得具有多級粗糙度的、水接觸角150°以上的超疏水聚四氟乙烯纖維膜，且膜沒有柔性。另外若不采用程序控制(如CN102282301A于400°C下燒結(jié)得到聚四氟乙烯纖維墊，載體(成纖聚合物)的灰分小于5%。)則無法保持纖維的原有形態(tài)，致使纖維塌陷成扁平狀。通過控制燒結(jié)后的冷卻條件，進(jìn)一步減少了纖維上的微小裂痕，形成無痕纖維表面，增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和韌性。
[0009]優(yōu)選地，上述燒結(jié)采用程序控溫分段連續(xù)燒結(jié)，在流動氣氛下，以2?15°C /min從室溫升溫至90°C?120°C，在100°C?120°C保溫50?lOOmin，以5?8°C /min的速率從100°C?120°C升溫到 280°C?300°C，在 280°C?300°C保溫 60 ?120min ;以 4 ?7°C /min的速率從280°C?300°C升溫到380°C?390°C，在380°C?390°C保溫30?80min。
[0010]上述聚四氟乙烯膜的制備方法，制纖后燒結(jié)前包括預(yù)成型步驟，所述預(yù)成型是將聚四氟乙烯前驅(qū)膜纏繞在支撐模上，通過纏繞層數(shù)控制聚四氟乙烯膜厚度及平均孔徑大小。纖維的纏繞疊加有利于燒結(jié)過程的應(yīng)力取向。
[0011]明膠水溶液的質(zhì)量濃度為0.5%?30%，明膠與聚四氟乙烯干重比為1:1?50。
[0012]具體地，一種聚四氟乙烯膜的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)紡絲液配制；將明膠溶于水配成濃度為0.5%?30%質(zhì)量濃度的均勻溶液，然后攪拌加入聚四氟乙烯乳液，得到均勻的混合液；明膠與聚四氟乙烯干重比在1:1?50;
[0014](2)制纖；采用紡絲或拉伸的方法對(I)中配制的紡絲液進(jìn)行紡絲制備纖維得到聚四氟乙烯前驅(qū)膜；
[0015](3)預(yù)成型:按照預(yù)期的使用規(guī)格，將(2)中所得到的得到聚四氟乙烯前驅(qū)膜纏繞在相應(yīng)形狀的支撐模上，形成平板式、管式、中空纖維式或卷式等不同形狀和規(guī)格的膜，通過纏繞層數(shù)控制膜厚；
[0016](4)燒結(jié)；將(3)中得到的預(yù)成型聚四氟乙烯前驅(qū)膜連同支撐模放入高溫爐中在連續(xù)通入流動氣氛的條件下進(jìn)行燒結(jié)；燒結(jié)采用程序控溫分段連續(xù)燒結(jié)，以3?10°C /min的速率從室溫升溫到120°C?200°C，在120°C?200°C保溫30?120min ;以2?8°C /min的速率從120°C?200°C升溫到360°C?400°C，在360°C?400°C保溫5?120min。
[0017](5)冷卻:在流動氣氛下，以3?15°C /min的速率從360°C?400°C降溫至150?200。。，在150?200。。保溫30?120min，然后自然冷卻。
[0018]上述流動氣氛為空氣、氮氣或惰性氣體至少一種。
[0019]有益效果
[0020]1.本發(fā)明制得了結(jié)構(gòu)獨特的聚四氟乙烯膜，具有由串珠狀纖維絲縱橫交錯形成的孔隙三維連通結(jié)構(gòu)，是一道形成具有多級粗糙結(jié)構(gòu)的疏水表面，串珠狀纖維絲是指聚四氟乙烯顆粒之間相互點和/或面黏結(jié)形成的纖維絲；孔隙呈曲徑孔，最大孔徑為1.ομ m，最小孔徑為0.01 μ m,平均孔徑為0.1 μ m?0.5 μ m ;纖維絲為納米纖維，平均直徑為500±50nm。
[0021]2.本發(fā)明極好的解決了在聚四氟乙烯前驅(qū)膜燒結(jié)中纖維易塌陷的問題，并且得到了具有串珠狀超細(xì)纖維網(wǎng)狀膜，纖維之間由無序堆疊變?yōu)橄嗷フ尺B，纖維形態(tài)和表面完好，強(qiáng)度和韌性也有較大提高，能夠承受一定真空壓力(可在0.SkPa真空度下仍可穩(wěn)定操作)。
[0022]3.本發(fā)明所制得的聚四氟乙烯多孔膜，具有特殊超疏水性結(jié)構(gòu)，得到的PTFE纖維表面形成大量粗糙表面，表面水接觸角> 150°，孔隙率高達(dá)80%以上。
[0023]4、本發(fā)明所制得的聚四氟乙烯多孔膜無需支撐，厚度可控，應(yīng)用于膜蒸餾過程，通量>20L/m2.h，截留率在99%以上。
[0024]5、本發(fā)明提出了燒結(jié)前的纏繞工藝進(jìn)行預(yù)成型，對最終產(chǎn)品膜的形狀和厚度能夠進(jìn)行控制，在保證高孔隙率(80%以上)的同時，提供了膜所需的厚度和強(qiáng)度。對比于為得到高孔隙率而高比例拉伸的雙向拉伸工藝，本發(fā)明方法所得到的聚四氟乙烯膜無需支撐，形式多樣，厚度可控。
[0025]6、本發(fā)明提供的聚四氟乙烯超疏水膜制備方法，采用燒結(jié)條件控制步驟，使載體在恰當(dāng)時機(jī)分解，而聚四氟乙烯顆粒熔融取向重排，得到了具有串珠狀超細(xì)纖維網(wǎng)狀膜，這種納米尺度的特殊結(jié)構(gòu)與超細(xì)纖維一道形成具有多級粗糖結(jié)構(gòu)的疏水表面。因而具有超疏水性能。
[0026]7、本發(fā)明避免了雙向拉伸中潤滑劑等的使用，不存在潤滑劑的除去問題，工藝簡單，無需擠出，壓膜等復(fù)雜流程，污染小。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明所述制備方法制得的聚四氟乙烯膜的掃描電鏡圖；從附圖中可以觀察到:本發(fā)明的聚四氟乙烯膜具有由串珠狀纖維絲縱橫交錯形成的孔隙三維連通結(jié)構(gòu)，孔隙呈曲徑孔，孔隙分布均勻連通，納米纖維形態(tài)均一完好。
【具體實施方式】
[0028]下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只能用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
[0029]實施例1
[0030]將固含量60%的聚四氟乙烯乳液滴加到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的明膠水溶液中攪拌均勻，配成紡絲液。然后采用靜電紡絲方法制成聚四氟乙烯前驅(qū)膜。纏繞到直徑5cm圓筒支撐模上，纏繞5層，并送到管式爐中通氮氣，燒結(jié)過程程序控溫，以10°C /min從室溫升溫至110°C，110°C保溫 90min，以 7V /min 升溫速度從 110°C升溫至 290°C，290°C保溫 lOOmin，從290°C升溫到380°C，升溫速度為6°C /min，保溫60min。
[0031]冷卻:在氮氣的流動氣氛下，以8°C /min的速率從373°C降溫至180°C，在180°C保溫80min,然后自然冷卻。
[0032]冷卻后取出后抽出圓筒支撐模，得到厚度為195 μ m的圓筒狀聚四氟乙烯膜，剪開可得到平板式多孔膜片。該膜疏水接觸角172°，孔隙率87%，平均孔徑0.3μπι，拉伸強(qiáng)度612psi，伸長率370%，用于膜蒸餾操作時，通量41L/m2.h，截留率99.7%。
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