一种基于PTFE改性分离膜的折叠式滤芯及其制备方法与流程

本发明属于过滤材料领域，尤其涉及一种基于ptfe改性分离膜的折叠式滤芯及其制备方法。

背景技术：

1、制药发酵、生物工程、食品饮料、现代化工、电子工业、环境保护等行业的液体的除细菌过滤、除微粒过滤及其它液体纯化应用中大量使用过滤装置及不同的过滤介质。微孔过滤领域普遍在过滤装置中采用折叠式滤芯。折叠式滤芯的过滤介质由高分子材料制作，但是不同的高分子材料的化学相溶性及耐侯、耐温性能有较大的差异。

2、常用的聚四氟乙烯微孔滤膜具有优良的化学相容性及较高的耐温性能，能耐受较严苛的过滤体系及应用环境，但是聚四氟乙烯强烈的疏水性能，大大地限制了该过滤材料在筒状过滤器的翅片式折叠滤芯上的应用。

3、而目前，对ptfe进行亲水性改性是一种较为常规和普遍的操作。但目前亲水性ptfe用于折叠式滤芯使用时，存在严重的翅片粘合情况，即在使用一段时间后相邻的翅片将会在分子间作用力的作用下相互靠近，至完全“粘合”，导致其部分呈现完全折叠、部分展平的情况，进而产生“膜间制约”，使得有效过滤面积大大减小，且ptfe滤芯被过度拉伸后过滤效果显著下降，需要频繁更换、难以维持过滤能力。

技术实现思路

1、本发明为解决现有的亲水性ptfe改性分离膜在使用过程中出现的寿命短、过滤效果差，以及产生较为明显的“水粘合”现象，产生膜间制约等问题，本发明提供了一种基于ptfe改性分离膜的折叠式滤芯，以及该滤芯的制备方法。

2、本发明的目的在于：一、消除ptfe改性分离膜在实际使用过程中出现的膜间制约的现象。

3、二、延长折叠滤芯使用寿命。

4、三、确保滤芯的过滤速率及过滤效果。

5、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

6、一种基于ptfe改性分离膜的折叠式滤芯的制备方法，所述方法包括：（1）取ptfe树脂，加热搅拌熔融为流体后上网成型，上网成型过程中至材料温度降低至105～115 ℃后均匀加入纤维、水、抗菌剂、丙烯酰胺和引发剂，得到ptfe基膜。

7、（2）对ptfe基膜进行拉伸，多层膜辊压复合后进行热压处理，得到ptfe分离膜。

8、（3）将ptfe分离膜浸泡于有机溶剂，得到ptfe改性分离膜。

9、（4）将浸泡后的ptfe改性分离膜依次与堆叠材料复合堆叠，制得一种基于ptfe改性分离膜的折叠式滤芯。

10、作为优选，步骤（1）所述上网成型在环境温度20～60 ℃、空气流速为25～30 km/h的条件下干燥成膜，控制膜厚度为0.5～2.0 mm，平面度≤0.1 mm。

11、作为优选，步骤（1）所述纤维为甲壳素纤维；步骤（1）所述抗菌剂为8-羟基喹啉；步骤（1）所述纤维、水和抗菌剂以2：（0.3～0.7）：（0.2～0.5）混合，混合后其加入量为ptfe数值的40～60 wt%。

12、作为优选，步骤（1）是丙烯酰胺加入量为ptfe数值质量的5～10 wt%；步骤（1）所述引发剂为过氧化二苯甲酰，加入量为丙烯酰胺质量的1～3 wt%。

13、作为优选，步骤（2）所述拉伸是在200～300 ℃条件下对ptfe基膜进行拉伸，在拉伸过程中控制拉伸倍率为150～300 %。

14、作为优选，步骤（2）所述多层膜辊压复合时控制多层膜堆叠时其总厚度为ptfe改性分离膜目标厚度的115～120 %，随后辊压至ptfe改性分离膜目标厚度的110～115 %；步骤（2）所述热压处理于110～115 ℃条件下将膜厚度热压至ptfe改性分离膜目标厚度。

15、作为优选，步骤（3）所述有机溶剂为三乙磷酸铝与氨水的混合物，其中三乙磷酸铝与氨水的质量比为1：（4～6），有机溶剂添加量为ptfe基膜体积的200～500 %vol；所述氨水浓度为25～28 wt%。

16、作为优选，步骤（4）所述堆叠材料包括长纤维无纺布、短纤维无纺布和平面导流网；步骤（4）所述复合堆叠时依照长纤维无纺布-短纤维无纺布-ptfe改性分离膜-平面导流网的顺序依次堆叠，随后折叠为翅片后即得到折叠式滤芯。

17、一种基于ptfe改性分离膜的折叠式滤芯。

18、作为优选，所述折叠式滤芯围绕在筒状过滤器结构的内支撑筒周向外表面并固定，随后在折叠式滤芯外表面再套设外支撑筒。

19、所述折叠式滤芯两面控制使得长纤维无纺布处于流体流经路径的上游侧，平面导流网处于流体流经路径的下游侧。

20、对于本发明技术方案而言，核心之处在于通过掺杂其他纤维材料，强化分离膜性能，消除ptfe改性分离膜之间的制约现象。

21、在实际应用过程中，ptfe是综合性能非常优良的膜分离材料，具有优异的化学稳定性，耐热、耐寒和耐化学腐蚀性，同时，还具备良好的电绝缘性、低表面张力和低摩擦系数、不燃性、耐大气老化性、高低温适应性能和较高的力学性能，在膜分离领域具有广泛的应用前景。但由于此类膜材料表面能低，疏水性极强，在处理水相分离体系时，流体透过膜的传质驱动力高，能耗大，水通量低；另外，疏水性膜表面极易吸附有机物和蛋白质等杂质，产生浓差极化，使膜被严重污染，从而导致通量急剧下降，这些缺点制约了ptfe的进一步推广应用，因此本发明首先对ptfe膜进行独特的亲水性改性。

22、在本发明技术方案中，ptfe膜外接羧基和羟基亲水基团，使得分离膜表面存在大量氢键，能为生成氢键提供氢原子，同时极性官能团中氧原子上有孤对电子能接受其他分子提供的氢原子，分别能与水分子之间存在的氧原子上的孤对电子和氢离子形成氢键，由于外接基团的ptfe膜与水分子之间形成结构相似的氢键，使得ptfe膜与水的亲和力有所提高，对ptfe膜完成亲水性改性。

23、本发明ptfe改性分离膜中甲壳素吸附于ptfe树脂表面产生空间位阻，抑制粒子间的聚集，同时少量的聚丙烯酰胺在膜材中均匀排布，可以作为树脂改良过程中孔洞的支架，为金属离子的富集提供空间结构。该两种结构的配合使得本发明ptfe改性分离膜在形成亲水性的同时产生了较优秀的内部分子制成效果，能够避免“水粘合”现象的发生，尤其在过滤过程中，本发明滤芯主要对于工业废水中的金属离子杂质进行过滤富集，通常金属离子会在滤芯表面富集且增强“水粘合”现象的发生，而本发明形成微观分子支架结构对ptfe改性分离膜的结构形成支撑同时将金属离子富集在内部，使得金属离子不但不会在表面富集增强“水粘合”效应以产生膜间制约，反而会增强分子内支撑作用，使得本发明的ptfe改性分离膜的结构更加稳定而具备更长的使用寿命。

24、此外，常规的ptfe改性分离膜多层堆叠使用时也存在较为明显的另一形式膜间制约作用，导致大量的过滤物富集在ptfe分离膜的堆叠界面，导致大量的杂质富集，使得滤芯的流通量快速下降，难以有效实现过滤。同时杂质富集导致滤芯将可能产生一定的形变，进一步导致过滤效果的减弱。

25、而通过多次的改性延长折叠滤芯使用寿命，抑制了膜间制约作用，提高滤芯的过滤速率及过滤效果。

26、在本发明技术方案中，丙烯酰胺和引发剂在常温条件下就可以发生聚合，形成聚丙烯酰胺，同时释放出大量的热，在热能的催化下8-羟基喹啉引入四氟乙烯树脂骨架中，形成具备特殊络合能力的8-羟基喹啉螯合树脂，这种树脂对环境中存在的铬、镍、锌等重金属离子有很强的吸附作用。在有机溶剂的浸泡中，螯合树脂会与三乙磷酸铝形成由金属铝和有机配体组成的框架结构，有机框架结构中含有大量的具有抗菌作用的铝离子，可随着有机框架的变化缓慢释放，达到持续杀菌的效果，有机框架变化后可以通过诱导产生大量氧自由基来进行杀菌消毒。在氨水环境下，四氟乙烯树脂表面的羟基基团能够与氢氧根离子反应，使得四氟乙烯树脂表面带负电，利用静电斥力减弱四氟乙烯树脂颗粒相互靠近形成沉淀的几率。

27、经过发明团队实验发现本发明提供的ptfe分离膜中，具备特殊络合能力的8-羟基喹啉螯合树脂的羟基喹啉通过有机缩合使得树脂孔洞内含有相对h+离子浓度较高，呈现相对弱酸性条件，在弱酸下，重金属离子的溶解性增加，在树脂结合一定量h+离子后，8-羟基喹啉螯合树脂的特殊结构增加了其中h+与重金属离子的交换能力，并形成聚合物，聚合物上的多配位官能团与金属离子形成络合物，功能基团上的原子与金属离子发生配位反应，产生配位共价键，形成结构稳定的鳌合物，与离子交换树脂吸附金属离子的原理不同，离子交换树脂是利用静电作用与金属离子结合。因此，鳌合树脂与金属离子的结合更加稳定，结合力更强，特异选择性更好，应用更加广泛。

28、同时，甲壳素在氨水溶液中，其分子链中的氨基和羟基均能够与四氟乙烯树脂表面的羟基基团形成化学连接，起到良好的防沉、抗流挂作用。四氟乙烯树脂在使用中会产生“中毒”现象，所谓的中毒是指其在使用了一段时间后，会失去离子交换功能现象，在使用过程中，四氟乙烯基的自聚速率大于与乙烯共聚，因此在初期，进入的四氟乙烯基单元比例较高，而后期，四氟乙烯基单体已基本消耗完，反应主要为乙烯的自聚，结果，由于内部的交联密度不同，外疏内密，在树脂使用中，体积较大的离子或分子扩散进入树脂内部，而在再生时，由于外疏内密的结构，较大离子或分子会卡在分子间隙中，不易与可移动离子发生交换，最终失去部分功能，造成树脂“中毒”，但是当树脂内部存在较大的孔隙通道时就避免了外疏内密的结构，从而克服了中毒现象，在本发明技术方案中，少量的聚丙烯酰胺在膜材中均匀排布，可以作为树脂改良过程中孔洞的支架，为金属离子的富集提供空间结构，树脂分子随聚合的进行逐渐卷缩，形成极细小的分子圆球，圆球之间通过分子链相互缠结，形成一簇葡萄状小球孔道，获得充足的空隙和较大的比表面积。

29、此外，本发明折叠式滤芯由一层长纤维无纺布、一层细短纤维无纺布、一层ptfe改性分离膜和一层平面导流网叠合构成，细短纤维无纺布设置在滤膜的上游，长纤维无纺布设置在细短纤维无纺布的上游，平面导流网设置在滤膜的下游。细短纤维无纺布起到预过滤及保护滤膜的作用，增加了滤芯的纳污量；长纤维无纺布增强折叠层的挺刮性；平面导游网减少了流体阻力，提高了滤芯的流量，同时强化ptfe改性分离膜在支撑筒内的结合力防止纤维脱落。

30、本发明优点：（1）本发明提供的折叠式滤芯消除ptfe改性分离膜在实际应用过程中出现的膜间制约，导致过滤能力和使用寿命短的问题。

31、（2）本发明折叠式滤芯用于金属离子过滤时有非常优异的过滤效果以及内部富集能力，能够避免外表面由于离子同化导致的过滤性能减弱的问题发生。

32、（3）本发明在聚四氟乙烯树脂中使用其他纤维搭建空间结构，确保滤芯的过滤速率及过滤效果。