Микропористая мембрана и способ ее изготовления

 

Изобретение относится к изготовлению из полимерных пленок микропористых мембран с калиброванными размерами пор, которые могут использоваться в электронной промышленности для очистки жидкостей и газов, в пищевой промышленности для очистки и стабилизации соков, пива, вина, выделения белка при сыроварении и т. д. в коммунальном хозяйстве для очистки воды, в медико-биологических исследованиях для стерилизации биологических сред, для получения кристаллизационных растворов. Микропористая мембрана из полимерной пленки имеет пористость до 95% при толщине до 1000 мкм, а поры выполнены с перпендикулярными поверхности пленки стенками. Мембрана может быть снабжена упрочняющей сеткой, расположенной в теле мембраны. Способ изготовления мембраны включает облучение исходной пленки рентгеновским излучением через трафарет, дополнительное фоновое облучение и последующую физико-химическую обработку. 2 с. и 1 з. п. ф лы, 5 ил.

Изобретение относится к изготовлению из полимерных пленок микропористых мембран с калиброванными размерами пор, которые могут использоваться в электронной промышленности для очистки жидкостей и газов, в пищевой промышленности для очистки и стабилизации соков, пива, вина, выделении белка при сыроварении и т.д. в коммунальном хозяйстве для очистки воды, в медико-биологических исследованиях для стерилизации биологических сред, для получения чистых кристаллизационных растворов.

Известна микропористая мембрана, характеризующаяся наличием большого числа крупных и неправильных по своей форме пор. Через такой фильтр проходят частицы самых различных размеров и достаточно надежное отфильтровывание частиц с заданными размерами затруднительно: "спектр" пропущенных фильтром частиц оказывается дисперсным, т.е. наряду с малыми частицами, размер которых указан в паспорте фильтра, сквозь фильтр проникает довольно существенное количество более крупных частиц.

Данная мембрана получена следующим способом: исходный материал (полимерную пленку) подвергают одностороннему облучению частицами, энергия которых недостаточна для проникновения материала насквозь. Затем материал облучают с другой стороны частицами, энергия которых также недостаточна для проникновения материала насквозь. Траектории одних и других частиц, используемых для облучения, пересекаются. Химическое травление материала, облученного с обеих сторон, создает поры, причем поры, образующиеся при травлении вдоль пересекающихся траекторий оказываются сквозными.

Наиболее близким аналогом предложенной микропористой мембраны является мембрана с порами в форме воронки диаметром 0,05-10 мкм, расположенными рядами. Наиболее близким аналогом предложенного способа является способ изготовления микропористой мембраны, включающий облучение полимерной пленки через трафарет и ее последующую химическую обработку.

Недостатком фильтра и способа его изготовления, выбранных в качестве прототипа, является принципиальная невозможность достижения высокой пористости фильтров без ухудшения их фильтрационной способности.

Кроме того, при высокой пористости снижается механическая прочность мембран. При использовании таких фильтров в условиях перепада давлений, необходимо наличие поддерживающей сетки.

Задачи, на решение которых направлено предлагаемое изобретение: повышение пористости фильтра за счет увеличения количества пор фильтра на единицу площади, без ухудшения его фильтрующей способности и механической прочности мембра- ны.

Решение поставленных задач достигается тем, что микропористая мембрана имеет толщину до 1000 мкм, снабжена упрочняющей сеткой, которая расположена в теле мембраны и формируется одновременно с порами, а в качестве экспонирующего используют рентгеновское излучение, которое проходит через трафарет с заданной геометрической формой и размером отверстий, рисунок которого копируется на одну или одновременно несколько пленок, толщиной до 1000 мкм.

На фиг. 1, 2 представлены образцы, поясняющие конструкцию предлагаемой микропористой мембраны (на фиг. 1 вид мембраны сверху, на фиг. 2 вид мембраны сбоку); на фиг. 3 схема, поясняющая процесс изготовления микропористой мембраны; на фиг. 4 образец микропористой мембраны, изготовленный по предлагаемому способу. Диаметр пор составляет 0,5 мкм, пористость 20% на фиг. 5 образец микропористой мембраны, изготовленный по предлагаемому способу. Размер отверстий составляет 0,7 мкм, пористость 40% Микропористая мембрана представляет собой пленку 1, толщиной до 1000 мкм с калиброванными размерами и заданной геометрической формой пор 2, которые расположены упорядоченно, занимают до 95% рабочей площади фильтра, имеют вертикальные стенки и ориентированы перпендикулярно к поверхности мембраны. Мембрана может быть снабжена упрочняющей сеткой, которая расположена в теле мембраны и формируется одновременно с порами.

Процесс изготовления микропористой мембраны с калиброванными размерами пор в соответствии с предложенным способом может выглядеть следующим образом. В зависимости от количества экспонируемых пленок, их толщины и размера пор на трафарете и на обрабатываемых пленках подбирается рабочая длина волны экспонирующего излучения. В качестве экспонирующего излучения используется синхротронное излучение.

Затем исходную полимерную пленку 1 облучают рентгеновским излучением 3 через трафарет 4, отстоящий от пленки на определенном микрозазоре, после чего проводят дополнительное фоновое облучение 6, а затем физико-химическую обработку.

Последовательное воздействие рентгеновского 3 и фонового 6 излучений и окислителя на пленку приводят к образованию мест с повышенной растворимостью на участках пленки, соответствующих рентгенопрозрачным участкам 5 трафарета 4. По окончанию процессов экспонирования и окисления пленку подвергают воздействию десятипроцентного раствора щелочи (NaOH), в результате чего участки 7 пленки, подвергшиеся воздействию рентгеновского излучения, растворяются и на их месте образуются сквозные поры 2. Поскольку трафарет имеет строго периодичную структуру (например, в виде "пчелиных сот", что дает максимальную пористость), то и поры на пленке имеют периодичную структуру, соответствующую структуре на трафарете.

Приведем несколько примеров изготовления микропористой мембраны с различной пористостью.

Лавсановую пленку толщиной 2,5 мкм экспонируют рентгеновским излучением в режиме работы ускорителя: Е 1,2 ГэВ, λ_c 1,19 нм в течение 10 мин (доза облучения 20 мА. ч) через трафарет, имеющий отверстия диаметром 0,3 мкм с расстоянием между их центрами 1,0 мкм (при токе в ускорителе 120 мА), затем проводят фоновое облучение ультрафиолетом в течение 60 мин и обработку в 20% растворе NaOH при температуре 60^оС в течение 40 мин, проводят промывку и сушку. В результате формируется микропористая мембрана с порами размером 0,3 мкм и пористостью 7% (фиг. 1).

Лавсановую пленку толщиной 2,5 мкм экспонируют рентгеновским излучением в режиме работы ускорителя: Е 1,2 ГэВ, λ_c 1,19 нм в течение 10 мин через трафарет, имеющий отверстия диаметром 0,5 мкм с расстоянием между их центрами 1,0 мкм, затем проводят фоновое облучение ультрафиолетом в течение 60 мин, затем обработку в 20% растворе NaOH при температуре 60^оС в течение 50 мин, проводят промывку и сушку. Полученная микропористая мембрана имеет поры диаметром 0,5 мкм, пористость 20% (фиг. 4).

Лавсановую пленку толщиной 10 мкм экспонируют рентгеновским излучением в режиме работы ускорителя: Е 1,2 ГэВ, λ_c 1,19 нм в течение 15 мин через трафарет, имеющий отверстия диаметром 0,7 мкм с шагом 1,0 мкм (доза облучения 20 мА. ч), затем проводят ультрафиолетовое облучение в течение 120 мин, обработку в 10% растворе NaOH при температуре 60^оС в течение 120 мин, промывку и сушку. Микропористая мембрана в данном случае при размере пор 0,7 мкм имеет пористость 40% (фиг. 5).

Лавсановую пленку толщиной 100 мкм экспонируют рентгеновским излучением в режиме работы ускорителя: Е 2,0 ГэВ, λ_c 0,25 нм в течение 40 мин через трафарет, имеющий отверстия 2,0 х 2,0 мкм и ширину перемычек между отверстиями 0,2 мкм, затем проводят фоновое облучение ультрафиолетом, обработку в 20% растворе NaOH при температуре 60^оС в течение 5 ч, затем промывка, сушка. В результате формируется микропористая мембрана с порами 2,0 х 2,0 мкм и пористостью 80% Лавсановую пленку толщиной 1000 мкм в течение 60 мин экспонируют рентгеновским излучением с характеристической длиной волны λ_c 0,25 нм в режиме работы ускорителя: энергия электронов Е 2,0 ГэВ, средний ток I 80 мА через трафарет, имеющий рисунок "пчелиных сот" с периодом 200 мкм и шириной перемычек 10,0 мкм, затем проводят фоновое облучение ультрафиолетом, обработку в 20% растворе NaOH при температуре 60^оС в течение 50 ч, затем выполняется промывка и сушка. В результате формируется микропористая мембрана толщиной 1000 мкм с отверстиями шестиугольной формы размером 190 мкм, разделенными перемычками шириной 10 мкм, при этом достигается 95% пористость мембраны.

Такие мембраны могут быть использованы для очистки жидкостей от механических примесей.

Микропористая мембрана может быть выполнена, в зависимости от трафарета, с пересекающимися участками без пор, которые играют роль упрочняющей сетки. Дорожки без пор формируются одновременно с порами и задаются рисунком трафарета. Мембрана может быть выполнена и без упрочняющей сетки.

Так как предлагаемый способ обеспечивает формирование пор с перпендикулярными поверхности мембраны стенками, максимальная пористость ограничивается только механической прочностью микропористой мембраны или шириной перемычек между порами, которые не могут быть меньше 0,1-0,2 мкм.

Пористость определяется по следующей формуле: P · 100 где m₁ теоретическая масса полимерного диска, имеющего ту же плотность и те же размеры (толщину и диаметр), что и материал мембраны.

m₂ фактическая масса микропористой мембраны.

При ширине перемычки 0,2 мкм, максимальная пористость мембраны с размерами пор 10 х 10 мкм составит 98% Разрешающая способность метода обеспечивает формирование микропористой мембраны с размерами пор 0,05-0,1 мкм.

Формула изобретения

1. Микропористая мембрана в виде полимерной пленки с калиброванными порами, упорядоченно расположенными на ее поверхности, отличающаяся тем, что пористость мембраны составляет до 95% при толщине до 1000 мкм, а поры выполнены с перпендикулярными поверхностями пленки стенками.

2. Мембрана по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена упрочняющей сеткой, расположенной в теле мембраны.

3. Способ изготовления микропористой мембраны, включающий облучение пленки экспонирующими излучением через трафарет, дополнительное фоновое облучение и последующую физико-химическую обработку, отличающийся тем, что в качестве полимерной пленки используют пленку толщиной до 1000 мкм, а в качестве экспонирующего применяют рентгеновское излучение.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5