高性能聚四氟乙烯中空纤维膜制备及表征

研究思路
制备工艺
原料选择 挤出工艺 拉伸工艺 烧结工艺 涂覆工艺
微孔结构 取向结构 结晶结构
结构
污水处理 通量大 强度高 孔径分布均 匀且可控
应用
泡点法测试微孔孔径 断裂强度表征力学性能 SEM观察微孔结构 通量表征通水性能
表征
性能
力学性能 微孔性能 通水性能
Doc. number
论文要点
一、原料及配比
烧结4min
345℃
论文要点
7、烧结条件控制：烧结度
论文要点
8来自百度文库涂覆工艺对微孔分布和纯水通量的影响
编号 1 2
涂覆前通量（L/（㎡*s）） 涂覆后通量（L/（㎡*s）） 1365 1365 1025 852
结论
调整原料分子量、助剂种类、原料助剂配比、挤出温度、挤出速度、挤出
口模参数、拉伸温度、拉伸速度、拉伸倍率、烧结温度和烧结时间等工艺参数，
200mm/min
400mm/min
75% 70% 65% 60%
孔隙率
1800 1750 1700 1650 1600 1550
0 100 200 300 400 拉伸速度（ mm/min） 500
通量（ L/ （㎡*s））
孔隙率
55% 50%
通量
（μm）
论文要点
3、拉伸条件控制：拉伸倍率
100%
论文要点
2、配比选择
编号 配比
1
2
3
4
5
100：16 100：18 100：19 100：20 100：22
论文要点
二、挤出成型—压缩比
样品编号 1 2 长径比 84:3 84:3 压缩比 100 135 平均断裂强度 4.41 6.41 平均断裂伸长率 35.75 25.68
论文要点
二、挤出成型—长径比
高性能聚四氟乙烯中空纤维 膜的制备及表征
框架结构
1 2 3 4
研究背景
研究内容 结果与分析
主要结论
研究背景
1、水污染严重、水资源短缺现状 2、膜技术的高质、高效 3、现有膜材料的短板 4、PTFE膜材料的优势
研究背景
制膜工艺
1、NIPS法（浸没沉淀相转化法） 材料：CA及其衍生物、PVDF、 PSF、PAN（聚丙烯腈） 特点：可以完全溶于有机溶剂， 并且在非溶剂中析出。 优点：制备工艺条件容易控制， 配方多样化 缺点：需要调整的条件多，使用 大量有机溶剂，污染环境，成品 必须在水中保存，强度差。
200%
300%
（μm）
论文要点
4、拉伸工艺对聚合物结晶度的影响（DSC法）
样品拉伸率 （%） 基膜
熔融热焓ΔH (j/g) 64.58
结晶度Xc （%） 93.55
100
200 300 拉伸温度 (℃)
62.98
57.56 51.93 熔融热焓ΔH (j/g)
91.24
83.38 75.29 结晶度Xc (%)
样品编号 1 2 3
长径比 45:3 84:3 120:3
压缩比 135 135 135
断裂强度 6.02 6.41 6.27
断裂伸长率 28.42 25.68 26.91
论文要点
三、拉伸成孔
1、拉伸条件控制：拉伸温度
170℃
220℃
250℃
（μm）
论文要点
2、拉伸条件控制：拉伸速度
100mm/min
研究背景
制膜工艺
2、TIPS法（热致相分离法） 材料：PP、PVDF 特点：找到熔融状态下可以完全混 熔的液态稀释剂。 优点：热法加工强度高，生产效率 高，适合大批量生产，对环境影响 小。 缺点：熔融加工条件控制较难，对 性能控制较差
研究背景
制膜工艺
3、熔融法 材料：PP、HDPE、PVDF 特点：结晶聚合物，可加工成硬弹 性材料。 优点：成本低，对环境污染小，制 备工艺较简单。 缺点：合适的材料少，孔隙率低， 对微孔控制较难。
结论
1、SEM观察内表面观察发现，聚四氟乙烯中空纤维膜微孔结构是纤 维—结点的结构不断重叠。 2、孔径分布和SEM对比结果表明，纤维数量的多少会直接影响孔径大 小，纤维数量越多，孔径越小，截留效果越好。 3、对比SEM和结晶度得知，拉伸过程中对微孔的影响是两种作用的结 果，一方面拉伸会产生纤维，一方面高温会导致纤维融结。 4、中空纤维膜的结晶度和SEM对比结果表明，在未烧结情况下结晶度 与纤维量呈反比关系，此时纤维的拉出破坏了结晶结构导致结晶度的下降；
3、探索控制微孔孔径的方法
研究概述
1. 聚四氟乙烯的结构
- 聚四氟乙烯的英文名称是 polytetrafluoroethe ne,简称是PTFE。聚四氟乙烯是一种有白色蜡状感 觉的直链晶型热塑性材料，表面手感光滑，其制品 表观随其结晶度不同呈透明或不透明状态，一般是 结晶度越高透明性越差。聚四氟乙烯的结构式及分 子结构如图： -图中可以看出：PTFE具有高分子长链结构，无直链，分子链高度规整，大分 子两侧全部为C-F键，每个碳原子连接两个氟原子完全对称。这两种元素以共 价键相结合且具有较高键能，是一个非常稳定的结构。PTFE中的氟原子排列起 来可以把碳原子屏蔽保护起来，分子链难以遭到破坏。而又由于氟原子之间相 互排斥，使整个大分子链呈螺旋结构。
1. 聚合物及助剂
牌号 SSG Particle Size（μm） RR
F205
F106
2.169
2.158
550
560
150
300
F205
助剂名称 石油醚 石蜡油 液态硅油 溶剂油 型号 — — — 埃克森美孚Isopar
F106
沸程（℃） 90~120 >300 300 163-176 密度（g/cm3） 0.67~0.7 0.83 0.96 0.748
基膜 170 220 250 280
64.58 56.39 49.02 43.17 36.09
93.55 83.38 72.47 63.82 53.36
论文要点
4、拉伸温度对聚合物结晶度的影响（XRD法）
论文要点
5、拉伸过程对取向的影响（拉曼偏振光法）
论文要点
6、烧结温度、烧结时间与烧结度的关系
对膜材料的断裂强度、密度分布、通量、截留率等性能进行测定分析，经过测 试和评估，结果表明：分子量为 800万的F106作为原料可以提高基膜断裂强度； 选用 IsoparH 溶剂油作为助剂，基膜易于挤出，且强度大；当树脂助剂比为 100:19时，挤出基膜强度最大，上升或降低配比均会导致强度下降；挤出最佳 温度为50℃~70℃；挤出口模最佳参数选择为锥度 50°，长径比为135，压缩比 为84：3，此时制备的基膜强度大，均匀性好；拉伸最佳温度为250℃，拉伸最 佳速度为400mm/min，拉伸最佳倍率为400%；烧结最佳温度为345℃，此温度 下烧结最佳时间为2min。采用乳液涂覆和平板膜涂覆均可以达到孔径控制的目 的，但会影响纯水通量，涂覆控制孔径的方法可以继续深入研究。
烧结后，纤维的融结会导致纤维数量的下降，同时结晶度也下降。因此可
以利用结晶度表征纤维数量。 5、结晶度测试结果和断裂强度的数据表明，结晶度与断裂强度呈反比，
因此烧结度越高断裂强度越大。
存在的问题
单向拉伸的影响 设备局限性 涂覆必要性和原理 其他工艺探索
研究概述
成膜原理
PTFE颗粒受到定向的力的作用下，会重新取向，并两个相邻的 颗粒在力作用下会形成微纤维（压坯过程）。拉伸过程中微纤维被 拉出，形成特殊的结点和纤维的结构，同时强度提高。拉伸后具有 回缩性，在张力作用下烧结可以使结点和纤维结构固定下来。
研究概述
制备工艺
PTFE分散 树脂 混合 助剂 冷却成型 二次烧结 涂覆 冷却 烧结 预成型 挤出 干燥 拉伸
研究背景
制膜工艺
4、糊料挤出拉伸法 材料：PTFE 特点：不溶于任何溶剂，无法熔融 加工，冷挤出可以拉伸出纤维。 优点：强度高、耐溶剂好、耐高低 温，无污染，通量大，截留效果好。 缺点：加工参数多，且难控制孔径。
研究内容
1、制备出高性能PTFE膜材料 2、探索制备工艺、结构、性能的关系
工艺条件对微孔大小和均匀性的影响 微孔结构与微孔大小的关系 制备工艺对结晶度的影响 结晶度与力学性能的关系