聚四氟乙烯微孔薄膜的應(yīng)用
發(fā)布時間 : 2019-09-12 瀏覽次數(shù) : 次一、引言
自美國杜邦公司(Dupont)1945年開始生產(chǎn)聚四氟乙烯以來，至今已有 61 年歷史。現(xiàn)在作為PTFE的重要產(chǎn)品聚四氟乙烯微孔薄膜應(yīng)用十分廣泛，拓展的領(lǐng)域從生物工程到服裝行業(yè)，從機械工業(yè)到石化，在環(huán)保行業(yè)中不僅可用于水處理工程 ，而且還可用于空氣的微粒凈化?？梢哉f它的應(yīng)用范圍還是比較廣泛的。
二、聚四氟乙烯的特征
1、分子結(jié)構(gòu)特點
聚四氟乙烯的優(yōu)異性能是由其分子結(jié)構(gòu)所決定的。聚四氟乙烯的分子由c、F兩種元素以共價鍵相結(jié)合，C—F鍵鍵能較高，要斷開C—F鍵需要較大的鍵能，因此聚四氟乙烯具有高度的穩(wěn)定性，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。雖然聚四氟乙烯和聚乙烯都是直鏈型高分子，且鏈骨架都由碳原子組成，但氟原子和氧原子在碳原子周圍所起的作用是不同的。氟原子的范德華半徑為O．136nm明顯大于氫原子范德華半徑O.11-0.12nm，與聚乙烯相比聚四氟乙烯中未成鏈原子間有較強的排斥力，這就使得聚四氟乙烯的大分子采用螺旋構(gòu)型，而不是聚乙烯的平面全反式構(gòu)型。由于氟原子的范德華半徑較大引起氟原子之間的排斥力較大，這使得聚四氟乙烯大分子鏈的轉(zhuǎn)動勢壘要比聚乙烯大得多，所以可以預(yù)料聚四氟乙烯鏈的柔曲性要比聚乙烯鏈小。這使聚四氟乙烯具有很高的熔點和很高的熔融粘度。
2、化學(xué)穩(wěn)定性
聚四氟乙烯每個碳原子連接的兩個氟原子空間結(jié)構(gòu)上對稱，整個分子無極性c—F鍵的鍵能高且穩(wěn)定，分子為螺旋形構(gòu)型，c—c主分子鏈完全被F原子所遮蔽所以，聚四氟乙烯具有極其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，被稱為“塑料之王”，水及各種有機溶劑都不能使其產(chǎn)生溶解或溶漲。強酸、強堿、強氧化劑即使在高溫時也不能對聚四氟乙烯起作用，其耐化學(xué)腐蝕性甚至超過一些貴金屬。只有F元素本身和熔融的堿金屬或堿金屬的絡(luò)合物才能對它有侵蝕作用。
3、熱性能
聚四氟乙烯具有優(yōu)良的耐高溫、耐低溫性能，熔點為327攝氏度，分解溫度為415攝氏度可在200一260℃范圍內(nèi)長期使用。但聚四氟乙烯的一大缺點是在高溫F的不流動性?！?。它在熔點以上時不會從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變到粘流態(tài)，即使升溫到分解溫度也不流動，這就使它不能能采用一般熱塑性材料的成型方法。聚四氟乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱性能較差。
4、力學(xué)性能
由于聚四氟乙烯的分子鏈是非極性的，大分子之間的相互吸引力?。淮蠓肿渔湡o支鏈且剛性較大，纏結(jié)很少。使得聚四氟乙烯宏觀上力學(xué)性能表現(xiàn)不佳。聚四氟乙烯具有較好的延展性，結(jié)晶度較低時，其延展性較好。聚四氟乙烯的最佳剛性所對應(yīng)的結(jié)晶度為75～80％，高于這個結(jié)晶度則聚四氟乙烯的耐蠕變性隨結(jié)晶度的進一步增加而減小。聚四氟乙烯的耐疲勞性非常優(yōu)異：不會出現(xiàn)永久性的疲勞破壞，即材料遭到破壞后，材料仍然能保持物理的完整性，不會發(fā)生斷裂。
5、電學(xué)性能
在聚四氟乙烯大分子鏈中，氟原子對稱均勻分布，因而分子不帶極性，使其具有優(yōu)良的介電性能。該介電性能基本不受電場頻率的影響，并且可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持不變。此外，聚四氟乙烯中空隙的存在也會使材料的耐電暈性降低。
6、表面性能
由于聚四氟乙烯的螺旋形結(jié)構(gòu)，c—c主鏈完全被氟原予所包圍，形成了一個完整的圓柱體，這種棒狀的構(gòu)型使聚四氟乙烯分子間的吸引力變得很微弱，再加E分子的形狀是螺旋形的，聚四氟乙烯大分子間很容易滑動。所以，聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)在高聚物中幾乎是最低的。聚四氟乙烯很難被普通液體所潤濕，其臨界表面張力為0.0185N/m,與水的接觸角為108度。因此聚四氟乙烯具有突出的不粘性，是一秘極佳的防粘材料。但另一方面這種性能又使它極難與其它物質(zhì)粘合，限制，其應(yīng)用。
三、聚四氟乙烯微孔薄膜的發(fā)展
人們很早就注意到高分子材料中聚四氟乙烯的突出性能，如優(yōu)良的高低溫性能、突出的化學(xué)穩(wěn)定性、以及良好的介電性能是在一些苛刻條件下進行微粒子分離膜的理想材料。但是聚四氟乙烯的不熔、不溶的特性，使制造其微孔濾膜的技術(shù)長期難以解決，限制了它的應(yīng)用開發(fā)。20世紀60年代，美國DuPont公司首先采用單向拉伸的方法制得聚四氟乙烯微孔薄膜，但微孔的大小、空隙率和膜的強度都不理想。1973年美國Gore公司利用雙向拉伸技術(shù)成功地開發(fā)了聚四氟乙烯微孔薄膜，標志著聚四氟乙烯微孔薄膜的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用在技術(shù)上已經(jīng)成熟。經(jīng)過30多年的發(fā)展，聚四氟乙烯微孔薄膜作為一種新型的膜材料，在服用、產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。聚四氟乙烯薄膜的雙向拉伸工藝，使薄膜具有了良好的空隙特性，但同時使膜的機械性能具有了各向異性的特性。這種各向異性特性將直接影響薄膜的復(fù)合以及復(fù)合材料的使用性能。
我國聚四氟乙烯微孔薄膜的研究開展較晚，落后于歐美及日本等發(fā)達國家。
目前聚四氟乙烯微孔薄膜的生產(chǎn)工藝有壓延膜法、車削膜法和拉伸膜法。拉伸膜法可以分為單向拉伸和雙向拉伸，通過結(jié)構(gòu)分析及實際測定，只有雙向拉伸膜才具有良好的微孔結(jié)構(gòu)。
四、聚四氟乙烯微孔薄膜的應(yīng)用
1、在過濾材料的應(yīng)用
由于聚四氟乙烯微孔薄膜的優(yōu)異性能，人們利用聚四氟乙烯微孔薄膜開發(fā)出了聚四氟乙烯覆膜濾料。覆膜濾料是使用一層聚四氟乙烯微孔薄膜復(fù)合在一般傳統(tǒng)的濾料介質(zhì)表面卜。覆膜濾料除具有傳統(tǒng)濾料除塵機理的攔截、慣性沉降、隨機擴散、靜電沉降、重力沉降五種效應(yīng)外，由于微孔多、微孔小，直徑只有O.3-10um，與普通濾料相比空隙直徑降低了幾十倍，一般的粉塵顆粒很難通過微孔，因此薄膜的攔截作用能去除10um以上的粉塵顆粒，加上薄膜對粉塵顆粒的慣性碰撞等作用，對于直徑小于um的粉塵顆粒也具有很高的去除率。薄膜對粉塵的攔截作用在五種效應(yīng)中起到主導(dǎo)作用。覆膜濾料采用表面過濾而不是“初次粉塵層”過濾，薄膜起著一次粉塵層的作用，底布材料只起支撐骨架的作用。薄膜表面極其光滑，摩擦系數(shù)小，在薄膜表面很難形成較厚的粉塵層，薄膜表面粉塵積累少。薄膜濾料除塵主要是利用微孔薄膜的攔截作用。聚四氟乙烯覆膜濾料具有如下的優(yōu)點：
<1>：接近于零的煙塵排放率，除塵效率可達99．99％以上。薄膜最小孔徑可達0．3um，可以捕獲人多數(shù)固體顆粒和液滴。
<2>：過濾形成的粉塵層容易裂離，濾料透氣性好。由予覆膜濾料是靠薄膜捕獲粉塵顆粒，粉塵層只能形成在濾料薄膜的外側(cè)，薄膜具有疏水性，粉塵層與濾料的粘結(jié)力小，易于裂離，在無外力作用下，靠自重就可脫落。若在反吹風(fēng)作用下，就可將其完全徹底清除掉，若采用抗靜電聚四氟乙烯薄膜則粉塵更易剝離，清灰更徹底。
<3>：由于濾料透氣性好，降低了壓差，降低了風(fēng)機的電耗，延長了濾料的使用壽命，提高了開機率，減少了除塵工作量，減少了停產(chǎn)的次數(shù)。
<4>：由于清灰徹底，可延長過濾時間，延長清灰周期，減少清灰次數(shù)，使設(shè)備磨損減少，維修量少
<5>：適用性廣。聚四氟乙烯薄膜具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，耐高溫、耐腐蝕、拒水性、疏油性等。因此對于高溫、高濕、高腐蝕和含有有機液體的特殊氣體，也有良好的過濾性。所以該濾料廣泛適用于冶金、化工、煤炭、水泥等行業(yè)。
2、在醫(yī)學(xué)材料中的應(yīng)用
聚四氟乙烯微孔薄膜在醫(yī)用材料上也獲得廣泛應(yīng)用，如手術(shù)服、手術(shù)巾、傷口敷料、消毒器械包裹材料等。手術(shù)服應(yīng)具備防護性和透氣性，以保證手術(shù)過程中醫(yī)護人員不受傳染病人血液感染及穿著舒適，特別是要防止某些高滲透區(qū)如腹部到胸部和從胳膊肘到手腕衣袖處受到感染。目前已有不同程度的防護性和透氣性的手術(shù)服，如：單層手術(shù)服：身體主要部位(腹到胸、碗到肘)雙層織物層疊的手術(shù)服：身體主要部位用聚四氟乙烯微孔薄膜復(fù)合的手術(shù)服及全薄膜層疊手術(shù)服。資料顯示，在對500件手術(shù)服進行試驗后發(fā)現(xiàn)，在抗血液滲透性方面，單層水刺非織造布手術(shù)服血液滲透感染率為9％，增強型非織造布手術(shù)服為5％，而采用聚四氟乙烯微孔薄膜復(fù)合的手術(shù)服則為2％。在舒適性方面，用聚四氟乙烯微孔薄膜復(fù)合的手術(shù)服穿著時和普通服裝一樣舒適。
五、聚四氟乙烯膜的制備
1、PTFE微孔薄膜的前道工藝
PTFE膜的原料是顆粒狀PTFE樹脂是四氟乙烯的均聚物，其不能采用普通熱塑料成型方法加工。而采用類似粉末冶金的原理加工，例如懸浮法、分散法即乳液法等聚合方法加工得到。PTFE 樹脂粉料國外有多家產(chǎn)品，國內(nèi)也有少量造廠家制造。國外生產(chǎn)廠商以美國杜邦公司、日本大金公司等為代表。
2、制備過程
常規(guī)制作過程是將聚四氟乙烯分散樹脂與液體助劑混合，通過壓延法將混合物制成薄片，再用機器雙向拉伸薄片，制得PTFE微孔膜。其工藝流程為：PTFE樹脂、助擠劑(選料)一混合一壓延一雙向拉伸一卷取。
3、制作工藝
<1>基膜的制備：好的基膜必須厚薄均勻，結(jié)晶度和密度合理?；さ馁|(zhì)量直接影響成品的性能指標。制備基膜時，應(yīng)注意以下幾個因素：
原料的選擇：PTFE樹脂宜選用分子量較適宜的牌號，其性能可承受拉伸時高溫條件下的高速應(yīng)變而不斷裂；助擠劑選用宜使樹脂濕潤、無毒、沸點高、易除去而無殘留的物質(zhì)。
配比：根據(jù)所用樹脂及助擠劑牌號，按適當(dāng)比例進行配制，助擠劑一般范圍在12％一28％之間。
壓縮比：壓縮比也是影響產(chǎn)品性能指標的重要參數(shù)。壓縮比大，縱向纖維化強度高，拉伸時不易斷裂，易于連續(xù)生產(chǎn)，其產(chǎn)品強度也較大。壓縮比過大，使擠出物太硬，不利于后續(xù)工序的正常生產(chǎn)。因此應(yīng)根據(jù)樹脂牌號、設(shè)備、生產(chǎn)工藝，合理選用壓縮比。
<2>拉伸溫度和拉伸率
PTFE 微孔膜成型過程，在國外以雙向拉伸即延伸的加工方法用得較多。PTFE在常溫到327℃之間均可被拉伸，即低于熔點階段的拉伸在高彈狀態(tài)下進行。低溫下拉伸會使薄膜破裂，導(dǎo)致拉伸無法進行，而高于327℃時，PTFE分子間的結(jié)晶狀態(tài)變化成無定形，不能很好得到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故一般拉伸溫度在40℃一327℃之間。
在生產(chǎn)中，拉伸溫度的高低與拉伸率及速度有關(guān)，同時也取決于制品的強度與尺寸。溫度高，薄膜較柔軟易于拉伸，尺寸穩(wěn)定性好，不易回縮。但是溫度過高，制品強度降低，也可導(dǎo)致斷裂。拉伸率越大，所需溫度較高，因為較低的拉伸溫度所需要的拉力較大，當(dāng)拉力超過被拉制品所能承受的強度時，便會斷裂；反之，拉伸率小，溫度可低些。溫度的不同也直接影響其制品的性能指標，因此，在生產(chǎn)中一定要尋找適合特定工藝與設(shè)備的最佳范圍。制品的強度、孔徑、空隙率是決定制品質(zhì)量的重要指標，對不同使用環(huán)境及使用條件的不同制品，選定其相應(yīng)生產(chǎn)工藝，以生產(chǎn)相適應(yīng)的具有孔徑小、分布均勻、空隙率高及結(jié)節(jié)小PTFE薄膜。
六、操作參數(shù)對PTFE薄膜性能的影響
PTFE 微孔薄膜在雙向拉伸過程及其前道工藝過程中對薄膜的性能影響因素是復(fù)雜而多方面的。除了加工設(shè)備的性能、拉伸溫度和拉伸率外，其他影響因素有：操作溫度、操作濕度。
操作溫度：PTFE 薄膜對溫度的影響特別敏感，不同的操作溫度可 以形成薄膜的不同性能。這不僅在拉伸過程中， 在 PTFE 樹脂加工和中間工藝過程 中， 溫度都是至關(guān)重要的操作參數(shù)。
操作濕度：濕度是與溫度相關(guān)的，離開溫度，濕度無從談起。環(huán)境濕度對薄膜也有一定影響。
