ТРЕКОВАЯ МЕМБРАНА Российский патент 1998 года по МПК B01D69/00 

Изобретение относится к области фильтрующих материалов из полимерной пленки, получаемых, в частности, с использованием облучения полимерной пленки потоком ускоренных частиц.

Известны трековые мембраны, облученные в ядерном реакторе осколками деления.

Углы, под которыми осколки деления входят в пленку, ограничивает коллиматор. Получать мембраны из пленки толщиной более 200 мкм невозможно, поскольку пробег осколков деления в полимерах ограничен величиной около 20 мкм. Кроме того, мембраны сохраняют остаточную радиоактивность, особенно мембраны с высокой плотностью пор. Энергетический и массовый разброс, присущий осколкам деления, приводит к такой величине дисперсии диаметров пор, которая ограничивает снизу возможные диаметры пор [1].

Наиболее близким аналогом к предложенному решению является трековая мембрана, образованная сквозными цилиндрическими или близкими к ним по форме порами в результате облучения полимерной пленки пучком ионов малой проходимости [2].

Недостатком мембраны полученной таким образом является то, что она содержит наложения пор, пропускающих частицы с размерами, большими диаметра одиночной поры.

Задачей изобретения является получение фильтрующего материала с максимальной пористостью и заданным диаметром пор, обеспечивающим требующуюся задерживающуюся (стерилизующую) способность трековой мембраны при ее высокой удельной производительности.

Поставленная задача решается тем, что в трековой мембране, образованной сквозными цилиндрическими или близкими к ним по форме порами в полимерной пленке, оси пор совпадают с образующими концентрических конических поверхностей и в мембране выполнено N групп параллельных пор, количество которых определено из выражения:
,
,
где
n - безразмерный коэффициент,
N - количество групп параллельных пор;
d - средний диаметр поры;
D - толщина пленки;
α -угол при вершине в плоском сечении внешней конической поверхности;
α_кр - наименьший допустимый угол между осями пор отдельных групп.

На фиг. 1 изображены эпюры расположения осей треков при двух конических поверхностях, имеющих общую вершину, образующие которых определяют расположение осей групп параллельных пор; на фиг.2 - структура трековой мембраны.

Сущность изобретения состоит в том, что полимерную пленку облучают импульсным пучком малой угловой расходимости, затем облученную пленку подвергают химической обработке для образования в ней пор. Во время облучения пленки пучку и пленке сообщают дополнительное перемещение в трехмерном пространстве, лежащее в интервале 0 - 90^o, при этом на каждый участок пленки падает число импульсов более 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 больше 2d/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, образуемом круговым конусом с плоским углом при вершине, который лежит в интервале 0 - 90^o.

Для получения фильтрующего материала с диаметром пор d=0,20 мкм и пористостью 20% используют полимерную пленку толщиной 20 мкм и протягивают ее с постоянной скоростью.

В зоне облучения высотой h = 30 см, облучают пленку импульсным пучком 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 ручка постоянен и равен, например, 15^o, 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 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 протяжки выбирают из условия v = ω h.

Облученную пленку обрабатывают в трехнормальном растворе NaOH в течение 10 мин при температуре 70^oC, после чего диаметр пор достигает 0,20 мкм.

Стерилизующая способность полученного фильтровального материала улучшается по сравнению с прототипом в 10³ раз при пористости мембраны 20%, а именно: в каждые 10⁸ бактерий через мембрану проходит одна бактерия.

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 1,5•10^-4 с флюенсом 0,52•10^-7 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:
ϕ = ϕcosωt .

Угловые скорости, изменяющие ориентацию, выбирают равными ω = 11,5 рад/с, ω = 23 рад/с, так что угловое смещение нормали к поверхности облучаемого участка 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^oC, пока диаметр пор не достигнет 0,6 мкм.

Стерилизующая способность фильтровального материала (эффективность задержания частиц) повышается по сравнению с прототипом в 10³ раз, если пористость мембраны 20%. Из 10 частиц, в частности бактерий размером 0,6 мкм, через мембрану в среднем пройдет одна бактерия.

Таким образом, значительно повышается задерживающая способность мембран при равной производительности и прочности мембраны.

Для получения фильтровального материала с диаметром пор d=0,2 мкм и пористостью 20% берут полимерную пленку (полиэтилентерефталат) толщиной 20 мкм и протягивают ее с 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 = 2•10^-4 с.

В зоне облучения пленка движется поступательно, а направление пучка меняет 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.

Таким образом, получаем мембрану с регулярной угловой структурой пор, позволяющей получать большую производительность при обеспечении высокой задерживающей способности.

Использование: изготовление пористых полимерных мембран для фильтрования текучих сред. Сущность изобретения: трековая мембрана образована сквозными цилиндрическими или близкими к ним по форме группами параллельных пор в полимерной пленке, оси которых совпадают с образующими концентрических конических поверхностей. 2 ил.

Трековая мембрана, образованная сквозными цилиндрическими или близкими к ним по форме порами в полимерной пленке, отличающаяся тем, что оси пор совпадают с образующими концентрических конических поверхностей и в мембране выполнено N групп параллельных пор, количество которых определено из выражения


где N - количество групп параллельных пор;
α_кр - наименьший допустимый угол между осями пор отдельных групп;
n - безразмерный коэффициент;
d - средний диаметр поры;
D - толщина пленки;
α - угол при вершине в плоском сечении внешней конической поверхности.