CN108525529B - 高强度聚乙烯微孔膜、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高强度聚乙烯微孔膜、其制备方法及其应用，属于薄膜材料领域，能够解决市场上微孔膜材料因强度低而导致的使用寿命缩短问题。该技术方案包括将聚乙烯B与反应溶剂按比例混合后注入反应容器内进行高温溶胀；将聚乙烯A和高温溶胀后的混合液按比例混合后进行熔融，得到高温熔体，将所述高温熔体经过过滤计量后泵入平板模头中，经冷却得到含油铸片；将所述含油铸片通过一次双向拉伸‑萃取‑二次双向拉伸后，得到聚乙烯薄膜；将所述聚乙烯薄膜热处理后收卷，得到高强度聚乙烯微孔膜。本发明能够应用于高强度聚乙烯微孔膜的制备中。
Description
技术领域
本发明属于薄膜材料领域，尤其涉及一种高强度聚乙烯微孔膜、其制备方法及其应用。
背景技术
膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩等过程。膜分离与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。聚合物膜分离技术以高效、低能耗等优点已广泛用于工农业及生活污水处理、空气净化、水资源再生等领域。膜分离技术的核心部件是组件中的微孔分离膜。通过选择不同的聚合物材料，选择合适的制备方法来控制聚合物膜的微孔结构及分布，以改善其膜分离能力，是膜分离技术研究的核心内容。
聚乙烯微孔膜以其节点原纤性、表面光滑、耐化学物质、透气不透水、透气量大、耐低温、抗强酸碱、无毒等特性独特的优势，被广泛的应用于诸多领域和行业中。
经过不断的研究和实践，国内外已形成了许多聚乙烯微孔膜的制备方法，应用较广泛的主要有以下几种：无机颗粒填充法、烧结法、热致相分离法、熔融挤压拉伸法等。例如，专利申请CN102512875A提出了一种超高分子量聚乙烯过滤材料的制备方法，使用的是烧结方法将超高分子量聚乙烯粉末压合在一起，由于未进行双向拉伸，无法达到较大的拉伸强度；专利申请CN107283976A提出了一种微孔聚乙烯透气膜的制备方法，而该方法因有成孔剂残留而限制了其应用。因此，如何解决市场上微孔膜材料因强度低而导致的使用寿命缩短问题将是本领域目前研究的重要课题。
发明内容
本发明提出一种高强度聚乙烯微孔膜、其制备方法及其应用，经由该方法制备得到的产品具有强度高、使用寿命长、应用范围广等特点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种高强度聚乙烯微孔膜的制备方法，包括以下步骤：
将聚乙烯B与反应溶剂按比例混合后注入反应容器内进行高温溶胀；
将聚乙烯A和高温溶胀后的混合液按比例混合后进行熔融，得到高温熔体，将所述高温熔体经过过滤计量后泵入平板模头中，经冷却得到含油铸片；
将所述含油铸片预热后进行高温双向同步或异步拉伸，得到预取向铸片；
利用萃取剂对所述预取向铸片中的溶剂进行萃取，干燥后，得到干铸片；
将所述干铸片预热后进行高温双向同步或异步拉伸，得到聚乙烯薄膜；
将所述聚乙烯薄膜热处理后收卷，得到高强度聚乙烯微孔膜。
作为优选，所述聚乙烯B与反应溶剂的质量比为1:(1-49)。
作为优选，所述聚乙烯A和高温溶胀后的混合液的比例按照聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比计算，聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比为1:(1-9)。
作为优选，所述铸片经80℃-100℃温度预热后进行高温双向同步或异步拉伸，拉伸倍数为横向1-3倍，纵向1-3倍。
作为优选，所述干铸片经100℃-130℃温度预热后进行高温双向同步或异步拉伸，拉伸倍数为横向3-10倍，纵向3-10倍。
作为优选，所述聚乙烯A和聚乙烯B均为线性聚乙烯，其中，聚乙烯A粘均分子量为50-200万，聚乙烯B粘均分子量为200-800万；所述反应溶剂为碳原子数在6-30个的碳烃化合物，所述萃取剂为碳氢清洗剂或卤代烃。
作为优选，所述高温溶胀温度为100℃-125℃，所述聚乙烯薄膜热处理温度为115℃-135℃。
本发明还提供了一种如上述任一项技术方案所述的高强度聚乙烯微孔膜的制备方法制备得到的高强度聚乙烯微孔膜，所述高强度聚乙烯微孔膜的拉伸强度达100Mpa以上。
作为优选，所述高强度聚乙烯微孔膜的孔隙率为30％-90％，孔径为0.01μm-10μm。
本发明还提供了一种如上述技术方案所述的高强度聚乙烯微孔膜在空气净化中的应用，所述高强度微孔膜过滤效率大于99％，透气值小于70s/in^2·100cc·1.22kPa。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供的高强度聚乙烯微孔膜的制备方法以聚乙烯为原料、碳烃化合物为反应溶剂、碳氢清洗剂或卤代烃为萃取剂，通过热至相分离法及二次双向拉伸制得高强度聚乙烯微孔膜。该微孔膜拉伸强度可达100Mpa以上，有效解决了目前市场上微孔膜材料因强度低而导致的使用寿命缩短问题。同时，在将该高强度聚乙烯微孔膜应用于空气净化时，过滤效率高达99.7％，过滤阻力为1.7kg/cm2，符合标准要求。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的高强度聚乙烯微孔膜的微观结构示意图。
具体实施方式
下面将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。
本发明实施例提供了一种高强度聚乙烯微孔膜的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚乙烯B与反应溶剂按比例混合后注入反应容器内进行高温溶胀。
S2：将聚乙烯A和高温溶胀后的混合液按比例混合后进行熔融，得到高温熔体，将所述高温熔体经过过滤计量后泵入平板模头中，经冷却得到含油铸片。
本步骤中，将聚乙烯与混合溶剂在高温下互溶成为均相溶液，再进而在冷却过程中进行热至相分离，可使得到的含油铸片中组分分布均匀。
S3：将所述含油铸片预热后进行高温双向同步或异步拉伸，得到预取向铸片。
本步骤中，通过上述步骤制备得到的含油铸片相比萃取后的铸片更容易拉伸取向，对其拉伸后，更利于得到更高强度的隔膜。
S4：利用萃取剂对所述预取向铸片中的溶剂进行萃取，干燥后，得到干铸片。
S5：将所述干铸片预热后进行高温双向同步或异步拉伸，得到聚乙烯薄膜。
本步骤中，对上述一次拉伸后的铸片进行二次拉伸，主要是为了进一步提高薄膜的强度以及控制薄膜的孔隙率和孔径分布。需要说明的是，采用一次拉伸-萃取-二次拉伸方式制备得到的薄膜相比于拉伸-萃取、萃取-拉伸方式制备得到的薄膜在理化、性能方面具有显著优势，具体如表1所示。
表1拉伸-萃取、萃取-拉伸、拉伸-萃取-拉伸制备得到的薄膜性能对比表
| 项目 | 拉伸-萃取 | 萃取-拉伸 | 拉伸-萃取-拉伸 |
| 强度 | ☆☆ | ☆ | ☆☆☆ |
| 孔隙率 | ☆ | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| 孔径控制 | ☆ | ☆☆ | ☆☆☆ |
| 膜面手感 | ☆ | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
S6：将所述聚乙烯薄膜热处理后收卷，得到高强度聚乙烯微孔膜。
在一优选实施例中，所述聚乙烯B与反应溶剂的质量比为1：(1-49)。
在一优选实施例中，所述聚乙烯A和高温溶胀后的混合液的比例按照聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比计算，聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比为1:(1-9)。
在一优选实施例中，所述铸片经80℃-100℃温度预热后进行高温双向同步或异步拉伸，拉伸倍数为横向1-3倍，纵向1-3倍。本实施例中具体限定了铸片在拉伸时的拉伸倍数，这样能够确保微孔膜中聚乙烯分子取向符合标准、薄膜不易撕裂。若拉伸倍数过高，微孔膜中聚乙烯分子会高度取向，隔膜硬化易撕裂，影响微孔膜的使用寿命。
在一优选实施例中，所述干铸片经100℃-130℃温度预热后进行高温双向同步或异步拉伸，拉伸倍数为横向3-10倍，纵向3-10倍。本实施例中具体限定了铸片在拉伸时的拉伸倍数，主要是为了形成高孔隙率、低透气值的微孔膜，使薄膜过滤阻力大大降低，同时有效提升微孔膜的强度。
在一优选实施例中，所述聚乙烯A和聚乙烯B均为线性聚乙烯，其中，聚乙烯A粘均分子量为50-200万，聚乙烯B粘均分子量为200-800万；所述反应溶剂为碳原子数在6-30个的碳烃化合物，所述萃取剂为碳氢清洗剂或卤代烃。本实施例列举了可供选用的聚乙烯A和聚乙烯B的分子量以及反应溶剂，其中，反应溶剂可以具体为石蜡油、壬烷、环己烷、十氢化萘或氯正己烷。需要说明的是，对于上述组份的限定并不局限于上述实施例所列举的，本领域技术人员可根据实际生产条件进行调整并可选用合理替换的萃取剂。
在一优选实施例中，所述高温溶胀温度为100℃-125℃，所述聚乙烯薄膜热处理温度为115℃-135℃。本实施例还对高温溶胀温度以及热处理温度进行了限定，具体的，溶胀温度还可以为105℃、110℃、115℃、120℃或上述范围内的任意值，热处理温度还可以为120℃、125℃、130℃或上述范围内的任意值，本领域技术人员可根据具体生产条件进行调整。
本发明还提供了一种如上述实施例所述的高强度聚乙烯微孔膜的制备方法制备得到的高强度聚乙烯微孔膜，所述高强度聚乙烯微孔膜的拉伸强度达100Mpa以上。在一优选实施例中，所述高强度聚乙烯微孔膜的孔隙率为30％-90％，孔径为0.01μm-10μm。本实施例提供的高强度聚乙烯微孔膜的拉伸强度相比普通的聚乙烯微孔膜的拉伸强度具有显著优势，且力学性能好、原纤化程度高，可作为环保新型材料应用于空气净化中。
本发明还提供了一种如上述实施例所述的高强度聚乙烯微孔膜在空气净化中的应用，所述高强度微孔膜过滤效率大于99％，透气值小于70s/in^2·100cc·1.22kPa。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的高强度聚乙烯微孔膜、其制备方法及其应用，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
原料：聚乙烯A粘均分子量100万，聚乙烯B粘均分子量230万，反应溶剂选择50#石蜡油。
将聚乙烯B与石蜡油按质量比1:19混合后注入溶胀釜内进行高温溶胀，然后将聚乙烯A和高温溶胀后的混合液按照聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比为3:7混合后注入直径120mm、长径比为52的双螺杆内、以80r/min螺杆转速进行熔融，得到最高温度220℃的高温熔体，将该高温熔体经过过滤计量后泵入平板模头中，经由模头狭缝口流出，然后经过30℃的冷却辊冷却成型，得到含油铸片；
将含油铸片预热，在拉伸温度为95℃时进行一次双向拉伸，横向拉伸倍数为1.5倍，纵向拉伸倍数为1.5倍；
将一次双向拉伸后的含油铸片送入萃取槽中，将石蜡油萃取出来，得到含有萃取剂的铸片，将其再送入干燥箱，将萃取剂挥发，得到干铸片；
将干铸片预热，在拉伸温度为120℃时进行二次双向拉伸，横向拉伸倍数为5倍，纵向拉伸倍数为5倍，得到聚乙烯薄膜；
将聚乙烯薄膜经过125℃热处理，最后收卷，得到高强度聚乙烯微孔膜，其微观结构如图1所示。
实施例2
制备方法同实施1，不同之处在于：
聚乙烯B与石蜡油质量比为1:9，聚乙烯A和聚乙烯B总质量与溶剂质量的比为1:3。
实施例3
制备方法同实施1，不同之处在于：
一次双向拉伸时横向拉伸倍数为2.5倍，纵向拉伸倍数为2.5倍，预热及拉伸温度为120℃。
实施例4
制备方法同实施1，不同之处在于：
二次双向拉伸时横向拉伸倍数为7倍，纵向拉伸倍数为7倍，预热及拉伸温度为120℃。
对比例1
制备方法同实施1，不同之处在于：
一次双向拉伸时横向拉伸倍数为7.25倍，纵向拉伸倍数为7.25倍，预热及拉伸温度为120℃，无二次拉伸。
对比例2
制备方法同实施1，不同之处在于：
无一次拉伸，二次双向拉伸时横向拉伸倍数为7.25倍，纵向拉伸倍数为7.25倍，预热及拉伸温度为120℃。
性能测试
对上述实施例1-4以及对比例1-2制备得到的微孔膜以及市面常用微孔膜的性能从以下几方面进行了测试，测试结果见表1。
表1各微孔膜性能测试结果
如表1中数据可知，对比例1仅进行了一次双向拉伸，未进行二次双向拉伸，制得的微孔膜孔隙率低，孔径过小，透气性差，强度低；对比例2仅进行了二次双向拉伸，未进行一次双向拉伸，制得的微孔膜强度较低，不能满足要求。相比于对比例，采用本发明实施例提供的技术方案所制备得到的微孔膜的强度可得到显著改善。并且，相比于实施例1，实施例2中降低了固含量，同时提高了高分子量聚乙烯的含量，可制得高孔隙率、低透气值微孔膜，同时又保证了强度稳定；实施例3提高了一次双向拉伸的倍数，可制得更高强度的微孔膜；实施例4提高了二次双向拉伸的倍数，可制得更高孔径的微孔膜。
应用实例
高强度聚乙烯微孔膜可做空气过滤芯，该滤芯耐化学稳定性好、耐低温、抗结露、不开裂，对湿度的有腐蚀性气体有很强的适应性，可应用在粉体工业的真空输送。高强度聚乙烯微孔膜是立体网状、交叉微孔结构，无直通孔，薄膜层具有0.1～3.5μm的微孔孔径，也可制作0.05～50μm的微孔孔径的薄膜，这种微孔滤膜可以捕集大多数的粉尘颗粒，使粉尘无法通过该膜的表面进入膜或者基材中去。因此该微孔空气过滤膜最大的优势在于无需依靠粉尘初层进行过滤的表面过滤。采用如实施例2所制备得到的高强度聚乙烯微孔膜过滤空气的结果如表2所示。
表2高强度聚乙烯微孔膜过滤空气结果
由表2数据可知，将本发明实施例所制备的高强度聚乙烯微孔膜应用于空气过滤时，过滤效率高达99.7％，过滤阻力为1.7kg/cm2，符合标准要求。
Claims (8)
1.一种高强度聚乙烯微孔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚乙烯B与反应溶剂按比例混合后注入反应容器内进行高温溶胀；
将聚乙烯A和高温溶胀后的混合液按比例混合后进行熔融，得到高温熔体，将所述高温熔体经过过滤计量后泵入平板模头中，经冷却得到含油铸片；
将所述含油铸片预热后进行高温双向同步或异步拉伸，得到预取向铸片；
利用萃取剂对所述预取向铸片中的溶剂进行萃取，干燥后，得到干铸片；
将所述干铸片预热后进行高温双向同步或异步拉伸，得到聚乙烯薄膜；
将所述聚乙烯薄膜热处理后收卷，得到高强度聚乙烯微孔膜；
所述铸片经80℃-100℃温度预热后进行高温双向同步或异步拉伸，拉伸倍数为横向1-3倍，纵向1-3倍；
所述干铸片经100℃-130℃温度预热后进行高温双向同步或异步拉伸，拉伸倍数为横向3-10倍，纵向3-10倍；
所述聚乙烯A和聚乙烯B均为线性聚乙烯，其中，聚乙烯A粘均分子量为50-200万，聚乙烯B粘均分子量为200-800万。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯B与反应溶剂的质量比为1:(1-49)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯A和高温溶胀后的混合液的比例按照聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比计算，聚乙烯A和聚乙烯B总质量与反应溶剂质量比为1:(1-9)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为碳原子数在6-30个的碳烃化合物，所述萃取剂为碳氢清洗剂或卤代烃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温溶胀温度为100℃-125℃，所述聚乙烯薄膜热处理温度为115℃-135℃。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的高强度聚乙烯微孔膜的制备方法制备得到的高强度聚乙烯微孔膜，所述高强度聚乙烯微孔膜的拉伸强度达100Mpa以上。
7.根据权利要求6所述的高强度聚乙烯微孔膜，其特征在于，所述高强度聚乙烯微孔膜的孔隙率为30％-90％，孔径为0.01μm-50μm。
8.一种如权利要求6所述的高强度聚乙烯微孔膜在空气净化中的应用，其特征在于，所述高强度微孔膜的过滤效率大于99％，透气值小于70s/in^2·100cc·1.22kPa。
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