[发明专利]一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制备及膜和膜接触器与应用

说明书

本发明涉及一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制备及其接触器应用，通过添加特定致孔剂改善聚四氟乙烯中空纤维膜的微观形貌和微孔结构，提高制备过程中膜孔的可控性。经过配料、熟化、预压成型、挤出、脱脂和热烧结等步骤，得到多孔聚四氟乙烯中空纤维膜。与传统聚四氟乙烯微孔膜制备过程相比，本发明方法减少了拉伸工序，不仅提高了生产效率，还改善了中空纤维膜的加工性。此外，与传统拉伸法得到狭长型微孔不同，本发明的致孔剂致孔效果明显，且得到非狭长形的孔结构。将所制中空纤维膜丝组装成接触器，可用于分离或脱除连续气流中的某些组分，如天然气和沼气净化、烟道气脱碳、脱除水中氧等过程。

技术领域

本发明涉及一种聚四氟乙烯中空纤维膜的制备及其膜接触器应用。

背景技术

膜接触器是指用于两相接触的一种新型膜系统(过程示意如图1所示)。自20世纪80年代出现后，逐渐在某些分离体系中起到举足轻重的作用，具有非常广泛的应用潜力。由于其独特的结构和操作方式，与相对传统的气体分离过程相比，膜接触器(如图2所示)具有以下一些优点：传质系数和分离效率高，设备结构紧凑、气液两相的流动速率可以独立控制、可以与其他系统特别是解吸系统结合使用等。膜接触器最为突出的特点是：可以在明确、稳定的界面上进行操作；将界面面积的稳定性或液体性质的调整相结合，可以获得比传统操作单元更高的效率。

膜是膜接触器过程的核心。膜接触器中所使用的膜一般是微孔膜，其对分离体系中的各组分不具有任何选择性，仅仅是提供一个确定的界面使两相可以接触，且不发生混合和分散。常用的聚合物膜的寿命有限且易被污染，这意味着膜材料限制了膜接触器的使用范围。同时，所允许的操作压力是有限的，取决于临界突破压力值的大小，因此除了膜本身理化性质外，还要求膜具有合适的结构以提供较高的临界突破压力值。

聚四氟乙烯具有突出的化学稳定性、优良的高低温性能及耐腐蚀性，在化工、石油、纺织、电子和机械等工业领域有着广泛应用。同时由于聚四氟乙烯的强疏水性和多孔性能，使其成为制备防水透气纺织纤维以及膜蒸馏和膜接触器的理想膜材料。与其他膜材料相比，ePTFE膜是惟一能够长期稳定使用的膜，其传质系数很高(Guilin,C.；Lihua,C.；Lin,Z.；Huanlin,C., Research progress of membrane contactor for gasseparation.Chemical Industry and Engineering Progress 2006,25,906-906.)，加之中空纤维膜具有体积小、自支撑能力强、装填密度大等优点，使得聚四氟乙烯中空纤维膜在膜接触器领域备受关注。膜接触器过程的稳定性和临界突破压力的大小密切相关，临界突破压力越大，过程的稳定性越好。临界突破压力随着孔尺寸的增大而降低，因此液相对膜的润湿作用首先是发生在孔尺寸最大的地方。使膜的孔径分布尽可能地均匀，可提高膜接触器的操作稳定性。

膜的通量对于膜接触器过程的工作效率有着重要影响。对于具有确定孔面积的孔，圆形孔的通量最大。对于椭圆形孔和矩形孔来说，随着孔长宽比的增大，流量迅速减少。当孔长宽比等于5时，具有同样面积的椭圆形孔或矩形孔的通量只有圆形孔通量的40％。(郑巨孟，中空纤维膜及膜接触器传质特性的研究[D].浙江大学，2003)

现阶段多孔PTFE中空纤维膜多采用挤出-拉伸法制备，制备流程包括混料、挤出纺丝、单向拉伸和烧结。PTFE树脂混料后通过高压挤出预成型为中空纤维膜，在一定温度下单向拉伸，此时PTFE树脂纤维化，因此膜孔多成狭缝型，如图3中所示(田普峰，聚四氟乙烯拉伸微孔膜的制备、结构与性能[D].西北工业大学，2006)。拉伸微孔膜的这种狭缝状的孔结构对膜的通量是不利的，而为了保证膜接触器的工作效率，通过增加拉伸倍数而提高空隙率的方法又会造成大孔的出现，使膜接触器过程的稳定性降低。此外，初生纤维强度较差，为了使其能在较高温度下顺利拉伸，通常使用较大尺寸的喷头进行纺丝，同时提高内外径和壁厚，这样在拉伸过程中中空纤维能保持形状稳定，但同时这也导致了相同原料制备的中空纤维膜接触面积大大减小，不利于提高膜的经济性。

发明内容