ПЕРФОРИРОВАННАЯ МЕМБРАНА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК B01D69/00 B01D67/00 

Изобретение относится к мембранным материалам и технологиям их получения.

Известны мембраны Метрисел, Таффрин, Версапор, Миллипор и др. основанные на анизотропных структурах высокомолекулярных полимерных пленок, получаемых методом формования или модифицирования. Несмотря на высокую пористость до 70-90% значительная толщина пленки (от нескольких десятков до 100-150 мкм), а также сложная и извилистая форма отверстий приводят к большому сопротивлению и низкой пропускной способности при фильтровании и трудностям процесса промывки.

Наиболее близкой к предлагаемой является трековая мембрана, представляющая собой ядерные фильтры, изготавливаемые путем облучения тонкой полимерной пленки ускоренными тяжелыми ионами (или осколками деления) и последующего процесса выщелачивания зон образовавшихся дефектов (треков). Малая толщина пленки существенно снижает эффективное сопротивление. Круглые прямоточные поры обеспечивают поверхностную, а не глубинную фильтрацию, что облегчает очистку и регенерацию фильтров. Эти мембраны получили значительное распространение и используются в медицине, электронике, биотехнологии, научном приборостроении и в других областях.

В то же время эти мембраны обладают рядом существенных недостатков. Они не могут быть использованы при температурах ниже 120^оС, имеют ограниченную механическую прочность и химическую стойкость к фильтруемым средам, т.е. их физико-химические свойства ограничены свойствами полимера, из которого они изготовлены. Производство трековых мембран требует громоздкого и дорого оборудования и сложной многоступенчатой технологии, что сказывается на их производительности и стоимости.

Предлагаемая перфорированная мембрана из листового материала содержит в качестве листового материала пластичные пленки или фольги, при этом отношение суммарной площади сечений отверстий к геометрической площади мембраны составляет 5-90% а отверстия с одной из сторон мембраны имеют кольцевой буртик.

Таким образом, основой мембраны могут быть любые фольги и пластичные пленки, т.е. как металлы, так и полимеры. Все физико-химические характеристики предлагаемой мембраны определяются свойствами исходного листового материала, т.е. она обладает заданной механической прочностью, а также тепловой, химической и радиационной стойкостью.

Кольцевой буртик на поверхности мембраны со стороны очищаемой среды усиливается фильтрующее действие за счет эффекта перехватывания. Кроме того, появляется возможность использования электрических, магнитных и других полей.

Предлагаемая мембрана предоставляет широкие и отсутствующие в настоящее время возможности фильтрования горячих и агрессивных сред, избирательной селекции различных ионов, а также применения ее в лито- и шелкографии, электронике и других областях.

Вторым объектом изобретения является способ изготовления мембран.

Известен способ получения ядерных микрофильтров, который заключается в бомбардировке полимерной пленки ускоренными частицами, в качестве которых используются тяжелые ионы или осколки деления, и в последующей химической обработке облученной основы. К недостаткам этого способа относятся его применимость для получения только полимерных пленок, громоздкость оборудования и сложность технологии.

Цель изобретения изготовление перфорированной мембраны бомбардировкой листового материала ускоренными частицами. Для этого используют калиброванные по размеру частицы металлов или неметаллов, а бомбардировку проводят при скоростях потока частиц, обеспечивающих сквозное пробивание листового материала.

В качестве ускоренных бомбардирующих частиц используют мелкодисперсные твердые частицы металлов или неметаллов размером от долей мкм до десятков и даже сотен мкм. Под калибровкой частиц имеется в виду ограничение их размера либо узким диапазоном величин с определенными допусками, либо некоторым верхним или нижним пределом. В связи с тем, что предлагаемый способ предусматривает одноступенчатый процесс получения отверстий, т.е. их прямое пробивание, скорости частиц должны быть достаточными для того, чтобы они обладали необходимой энергией, т.е. составлять сотни м/с и выше.

Существуют несколько способов ускорения частиц газодинамический, взрывной, плазменный, электростатический и др. По эффективности, производительности и возможности управления параметрами процесса предпочтительным является первый, т.е. газодинамический способ, несмотря на получение меньших скоростей, чем при некоторых других способах ускорения. Некоторое повышение скорости может быть достигнуто нагревом газа, а усиление ударного действия частиц-пробойников созданием некоторого разрежения (вакуума) в зоне воздействия потока частиц на листовой материал. Особенностью предлагаемого изобретения является то, что ускорение частиц до скорости пробивания осуществляется газовым потоком.

Существо изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведена технологическая схема реализации предлагаемого способа изготовления перфорированной мембраны, включающая основные элементы устройства; на фиг.2 реальная перфорированная мембрана: а) общий вид; б) поперечный разрез.

Перфорированная мембрана, участок которой приведен на фотографии, изготовлена из алюминиевой фольги толщиной 30 мкм с диметром отверстий 20 мкм и меньше и пористостью ≈15% На фотографии отчетливо виден буртик вокруг отверстий предлагаемой мембраны. Аналогичные мембраны изготавливались из таких полимеров, как полиэтилентерефталат (лавсан) и полиэтилен. При их изготовлении в качестве частиц-пробойников использовались частицы корунда М10, их скорость составляла ≈700 м/с, в качестве газа использовался воздух.

Способ реализуют следующим образом. Воздух из компрессора (ресивера) 1 под давлением 30 атм подается в магистраль 2, которая служит направляющим каналом. На магистрали устанавливают нагреватель 4 мощностью 20 кВт, повышающий температуру воздуха до 300^оС. Направляющий канал заканчивается форкамерой 5 и соплом Лаваля 6 с выходной щелью размером 4 х 50 мм. К направляющему каналу вблизи форкамеры подходит трубка выхода из дозатора или питателя 3, откуда в струю воздуха поступает поток мелкодисперсных частиц. На некотором расстоянии вблизи сопла ( 10 см) располагается блок установки и перемещения листового материала 8. Скорость потока частиц из сопла 7 составляет ≈700 м/с, вертикальная скорость перемещения фольги ≈5 см/с.

Устройство для реализации предлагаемого способа представляет собой объединение трех приспособлений (устройства для ускорения газа, устройства для подачи в него частиц пробойников и устройства для протяжки листового материала). На фиг.2 изображен участок мембраны, полученной именно таким образом. Пористость мембраны может быть очень высокой (вплоть до 90%), но она напрямую связана с механической прочностью готового изделия. Управление распределением плотности частиц по сечению потока позволяет добиваться статистически однородного распределения плотности пор по площади мембраны.

Таким образом, процесс изготовления предлагаемой перфорированной мембраны заключается в бомбардировке пластичного листового материала калиброванными мелкодисперсными частицами, ускоренными потоком газа до скорости, достаточной для сквозного пробивания материала. Образующиеся при этом отверстия имеют развернутые края в виде венчика или короны, образующие кольцевой буртик.

Предлагаемая технология промышленно применима, не требует дорогого и громоздкого оборудования, практически одноэтапна и высокопроизводительна. Предлагаемые мембраны могут эффективность служить во многих технических системах как альтернатива имеющимся мембранным материалам с существенным улучшением их свойств и характеристик и расширением возможностей.

Перфорированная мембрана из листового материала содержит в качестве листового материала пластичные пленки или фольги, при этом отношение суммарной площади сечений отверстий к геометрической площади мембраны составляет 5 90% а отверстия с одной из сторон мембраны имеют кольцевой буртик. Перфорированную мембрану изготавливают бомбардировкой листового материала ускоренными калиброванными по размеру частицами металлов или неметаллов при скорости потока частиц, обеспечивающей сквозное пробивание листового материала. Ускорение частиц может быть осуществлено потоком газа. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Перфорированная мембрана из листового материала, отличающаяся тем, что в качестве листового материала использованы пластичные пленки или фольги, при этом отношение суммарной площади сечений отверстий к геометрической площади мембраны составляет 5 90% а отверстия с одной из сторон мембраны имеют кольцевой буртик. 2. Способ изготовления перфорированной мембраны путем бомбардировки листового материала ускоренными частицами, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют калиброванные по размеру частицы металлов или неметаллов, а бомбардировку проводят при скорости потока частиц, обеспечивающей сквозное пробивание листового материала. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что ускорение частиц до скорости пробивания листового материала осуществляют потоком газа.