СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1996 года по МПК B01D39/16 

Изобретение относится к фильтрующим материалам из полимерной пленки, получаемых, в частности, с использованием облучения пленки потоком ускоренных частиц.

В настоящее время фильтрующие материалы из полимерной пленки, называемые трековыми мембранами, получают облучением пленки осколками деления урана в ядерных реакторах или тяжелыми ионами на ускорителях заряженных частиц и последующей физико-химической обработкой облученной пленки.

Известен способ получения трековых мембран, согласно которому пленку облучают в ядерном реакторе осколками деления [1] Углы, под которыми осколки деления входят в пленку, ограничивают коллиматором. Этот способ обладает рядом недостатков, в частности не позволяет получать мембраны из пленки толщиной более 20 мкм, поскольку пробег осколков деления в полимерах ограничен величиной, меньшей 20 мкм. Полученные таким образом мембраны сохраняют остаточную радиоактивность, особенно мембраны с высокой плотностью пор. Кроме того, известный способ не дает возможности получать регулярное распределение пор ввиду статистического характера распределения треков осколков по поверхности пленки и углом падения осколков на пленку. Энергетический и массовый разброс, присущий осколкам деления, приводит к такой величине дисперсии диаметров пор, которая ограничивает снизу возможные размеры диаметров пор.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ получения фильтрующего материала (трековых мембран), заключающийся в том, что полимерную пленку на валике-подложке протягивают через зону облучения, облучают импульсным пучком тяжелых ионов малой расходимости, осуществляя сканирование поперек движения пленки, затем облученную пленку обрабатывают для получения в ней пор [2]
Недостатком этого способа является жесткая связь между интенсивностью потока тяжелых ионов, скоростью подачи пленки и геометрическими параметрами облучающей установки, что исключает возможность регулирования процессов облучения с целью достижения оптимального распределения треков по углам, причем развертка треков по углам происходит в плоскостях валика пучком, при этом все плоскости находятся под малым углом к плоскости, перпендикулярной оси валика, что ведет к увеличению диаметра частиц, например латексов, проходящих через мембрану, и, следовательно, снижает задерживающую (стерилизующую) способность мембраны.

Целью изобретения является получение фильтрующего материала с максимальной пористостью и с заданным диаметром пор, обеспечивающее при этом необходимую задерживающую (стерилизующую) способность фильтрующей мембраны.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является развертка осей треков в пространстве.

Для достижения цели в способе изготовления фильтрующего материала, заключающемся в том, что полимерную пленку протягивают через зону облучения, облучают импульсным пучком малой расходимости, облученную пленку обрабатывают для образования в ней пор, во время облучения пленки пучку и пленке сообщают дополнительное взаимное относительное перемещение в трехмерном пространстве, так что нормаль к поверхности пленки и направления оси пучка образуют плоские углы в пространстве, лежащие в интервале от 9 до 90^о, при этом на каждый участок пленки падает число импульсов > 1, а угловую скорость дополнительного относительного перемещения пучка и пленки и длительность импульса выбирают так, чтобы за время импульса относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка составило 0,6 d/D, а период импульсного облучения выбирают так, чтобы за время между соседними импульсами относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка было ≥2 d/D, где d средний диаметр пор, мкм; D толщина пленки, мкм.

В частности, углы между направлением нормали к пленке и направлением оси пучка могут быть ограничены телесным углом, заключенным в круговом конусе с плоским углом при вершине, лежащим в интервале от 0 до 90^о. Возможно также шаговая подача полимерной пленки через зону облучения.

Указанные относительные признаки предлагаемого способа в совокупности с общими признаками известного способа позволяют получать в облучаемой пленке группы треков малой расходимости, т.е. с одинаковым наклоном к поверхности пленки, причем число треков в разных группах отличается лишь статистическим разбросом числа частиц в облучающих импульсах. Число наложений пор в трековой мембране будет определяться плотностью пор в отдельной группе, а общее количество пор будет равно сумме пор всех групп. Таким образом, число наложений определится пористостью лишь одной группы, а полная пористость будет равна числу групп, умноженному на пористость одной группы. Следовательно, производительность фильтрующей мембраны при заданной стерилизующей (задерживающей) способности существенно возрастает при увеличении числа групп пор, так как пересечения треков разных групп не будут приводить к уменьшению стерилизующей способности. Характерная для предлагаемого способа развертка облучающих импульсов в пространстве позволяет увеличить число групп треков по сравнению с другими способами, используемыми на ускорителях, как минимум в 10 раз, а значит, увеличить, стерилизующую способность мембран от тысячи до десяти тысяч раз при максимальной пористости.

Если относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка за время импульса превысит 0,6 d/D, то пересечение треков разных групп начнет уменьшать стерилизующую способность фильтрующей мембраны. Этот же эффект возникает, когда относительное угловое смещение за время между соседними импульсами становится меньше 2d/D.

Способ реализуют следующим образом.

Полимерную пленку протягивают с постоянной скоростью или в режиме шаговой подачи, облучают в зоне облучения импульсным пучком малой расходимости с частотой повторения f и длительностью импульса τ. Во время облучения пленки пучку и пленке сообщают относительное угловое перемещение либо путем изменения ориентации облучаемого участка пленки в пространстве, либо путем изменения направления пучка, либо сочетанием изменения ориентации пленки в зоне облучения и изменения направления пучка. При этом нормаль к поверхности пленки и направления оси пучка образуют плоские углы в пространстве. В процессе облучения на участок пленки за время, равное времени ее протяжки в зоне облучения, падает число импульсов N, равное ft > 1, а за время длительности импульса τ относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка меньше, 0,6 d/D и не оказывает существенного влияния на расходимость треков в группе. Период импульсов Т 1/f выбирают так, чтобы за время между соседними импульсами относительное угловое смещение нормали к пленке и направления оси пучка было равно или больше 2 d/D, где d средний диаметр пор, мкм; D толщина пленки, мкм.

Благодаря этому образуется характерная структура материала с дискретным распределением каналов пор по углам, когда пористая структура образована группами практически параллельных пор.

Способ поясняется чертежом.

На чертеже, представляющем мембрану с дискретным распределением пор по углам (две группы пор), углы α и β суть углы между нормалью к поверхность мембраны и осями цилиндрических пор, одинаковые для пор каждой группы (образующие одной группы показаны штрихованными линиями, а другой сплошными).

П р и м е р 1. Для получения фильтрующего материала с диаметром пор d 0,2 мкм и пористостью 20% используют полиэтилентерефталатную пленку толщиной 20 мкм и протягивают ее с постоянной скоростью.

В зоне облучения высотой h 30 см облучают пленку импульсным пучком ускоренных тяжелых ионов с флюенсом 2·10⁷ частиц/см² в импульсе с длительностью импульса τ= 2·10^-4 с, при этом ориентацию пленки меняют таким образом, что угол между нормалью к поверхности облучаемого участка пленки и осью пучка постоянен и равен, например, 15^о, а нормаль к поверхности облучаемого участка пленки вращается относительно неподвижной оси пучка с постоянной угловой скоростью так, что проекция нормали на плоскость, перпендикулярную оси пучка, описывает окружность. При этом угловую скорость выбирают равной ω= 6 рад/с с тем, чтобы за время импульса угловое смещение нормали, равное в данном случае 3·10^-4 рад, было меньше 0,6 d/D 0,012 рад.

Частоту повторения импульсов выбирают равной 40 Гц, что обеспечивает выполнение требуемого соотношения для углового смещения нормали к поверхности облучаемого участка пленки относительно оси пучка за время между импульсами. Скорость выбирают из условия Vωh/2, которая в данном примере будет равна 28,6 см/с.

Облученную пленку обрабатывают в трехнормальном растворе NaOH в течение 10 мин при температуре 70^оС, после чего диаметр пор достигает 0,2 мкм.

Стерилизующая способность полученного фильтровального материала улучшается по сравнению с прототипом в 10³ раза при пористости мембраны 20% а именно на каждые 10⁵ бактерий через мембрану проходит одна бактерия.

П р и м е р 2. Для получения фильтрующего материала с диаметром пор d 0,6 мкм и пористостью П 20% полиэтилентерефталатную пленку толщиной 20 мкм протягивают через зону облучения импульсным пучком ускоренных тяжелых ионов с длительностью импульса τ= 1,5·10^-4 с и флюэнсом n 0,52·10⁷ частиц/см² в режиме шаговой подачи. Каждый кадр занимает всю зону, его экспонируют в течение 0,54 с, после чего пленку протягивают на длину кадра. Высота зоны (кадра) h 30 см. Облучение во время протяжки кадра не ведут.

В зоне облучения пленку перемещают, меняя ее ориентацию относительно неподвижной оси пучка так, что углы между нормалью к поверхности облучаемого участка и двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, параллельными оси пучка, меняются по закону Φ₁=Φ_о cos ω t;Φ₂=Φ_osin ω t;где Φ_о= 10^о.

Угловые скорости, изменяющие ориентацию, выбирают равными ω₁= 11,5 рад/с; ω₂= 23 рад/с так, что угловое смещение к нормали к поверхности облучаемого участка пленки за время импульса всегда меньше 0,6 d/D 0,036 рад.

Частоту следования импульсов выбирают равной f 25 Гц, с тем, чтобы выполнялось условие для относительного углового смещения за промежуток времени между импульсами.

Облученную пленку обрабатывают в трехнормальном растворе NaOH в течение 25 мин при температуре 70^оС, пока диаметр пор не достигнет 0,6 мкм.

Стерилизующая способность фильтровального материала (эффективность задержания частиц) повышается по сравнению с прототипом в 10² раз, если пористость мембраны 20% Из 10⁴ частиц, в частности бактерий размером 0,6 мкм, через мембрану в среднем пройдет одна бактерия.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно повысить задерживающую способность мембран при равной производительности и прочности мембраны.

П р и м е р 3. Для получения фильтровального материала с диаметром пор 0,20 мкм и пористостью П 20% берут поликарбонатную пленку шириной 30 см, толщиной 20 мкм и протягивают со скоростью 0,5 м/c через зону облучения импульсным пучком тяжелых ионов длительностью импульса 2·10^-4 с, частотой повторения импульсов 100 Гц и числом ионов в импульсе N 9,54·10⁹. Высота облучаемого кадра равна высоте пучка 4 см, ширина пучка 2 мм, пучком сканируют по ширине пленки с частотой 20000 Гц.

В зоне облучения меняют ориентацию пленки относительно оси пучка так, что углы между нормалью к поверхности облучаемого участка пленки и двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, парал- лельным оси пучка, меняются по закону Φ₁=Φ_о cos ω₁·t;Φ₂=Φ_osin ω₂·t; где Φ_о= 10^о.

Угловые скорости изменения ориентации выбирают равными ω₁= 78,5 рад/с; ω₂= 157 рад/с так, что угловое смещение нормали к поверхности облучаемого участка пленки всегда меньше 0,6 d/D 0,012 рад.

Частоту исследования импульсов выбирают равной f 100 Гц так, чтобы выполнялось условие для относительного углового смещения за время между импульсами.

Облученную пленку обрабатывают в трехнормальном растворе NaOH до достижения в пленке диаметров пор 0,2 мкм.

Стерилизующая способность полученного материала повышается по сравнению с прототипом в 10² раза при пористости мембраны 20% а именно через мембрану, полученную данным способом, из 10⁴ бактерий в среднем проходит только одна.

П р и м е р 4. Для получения фильтровального материала с диаметром пор d 0,2 мкм и пористостью 20% берут полимерную пленку (полиэтилентерефталат) толщиной 20 мкм и протягивают ее c постоянной скоростью через зону облучения высотой h 10 см, облучают импульсным пучком ускоренных тяжелых ионов с флюенсом 2·10⁷ частиц/см² в импульсе с длительностью импульса τ= 2·10^-4 с.

В зоне облучения пленка движется поступательно, а направление пучка меняют так, что углы между осью пучка и двумя плоскостями, перпендикулярными поверхности пленки, меняются по закону, когда проекция нормали параллельной оси пучка описывает на поверхности пленки окружность.

Частоту повторения импульсов выбирают равной 40 Гц, что обеспечивает выполнение соотношения для углового смещения нормали к поверхности облучаемого участка пленки относительно оси пучка за время между соседними импульсами.

Скорость протяжки выбирают равной 28,6 см/с. Далее производят химическое травление пленки до достижения диаметра пор 0,2 мкм. По сравнению с прототипом при этом стерилизующая способность увеличивается в 10³ раз.

Изобретение относится к получению трековых мембран путем облучения полимерных пленок пучком ускоренных частиц. При способе изготовления фильтрующего материала во время облучения пленки пучку и пленке сообщают дополнительное взаимное относительное перемещение, обеспечивающее образование в трехмерном пространстве углов между нормалью к поверхности облучаемого участка и осью пучка с величинами в интервале от 0 до 90^o, при этом каждый облучаемый участок пленки облучают числом импульсов, большим 1, угловую скорость дополнительного перемещения и длительность импульса выбирают так, чтобы во время облучения импульсом относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка составило 0,6 d/D, а период импульсов выбирают так, чтобы за время между соседними импульсами относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка было 2d/D, где d - средний диаметр пор, мкм; D - толщина пленки, мкм. Протяжку полимерной пленки через зону облучения ведут в режиме шаговой подачи. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА, заключающийся в том, что полимерную пленку протягивают через зону облучения, облучают импульсным пучком ускоренных заряженных частиц малой расходимости, затем облученную пленку обрабатывают для порообразования, отличающийся тем, что при облучении пленки пучку и пленке сообщают дополнительное взаимное относительное перемещение, обеспечивающее образование в трехмерном пространстве углов между нормалью к поверхности облучаемого участка и осью пучка с величинами в интервале от 0 до 90^o, при этом каждый облучаемый участок пленки облучают числом импульсов большим 1, угловую скорость дополнительного относительного перемещения и длительность импульса выбирают так, чтобы относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка составило 0,6 d/D, а период импульсов выбирают так, чтобы за время между соседними импульсами относительное угловое смещение нормали к поверхности пленки и направления оси пучка 2 d/D, где d - средний диаметр пор, мкм, D - толщина пленки, мкм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что протяжку полимерной пленки через зону облучения ведут в режиме шаговой подачи.