INSTITUTE OF PHYSICAL ORGANIC CHEMISTRY A.V. Bildyukevich NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS Методы получения мембран Лекция 3

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН : ИНВЕРСИЯ ФАЗ (ФОРМОВАНИЕ ИЗ РАСТВОРА ИЛИ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА); ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ (ВЫМЫВАНИЕ) НАПОЛНИТЕЛЯ; ТРАВЛЕНИЕ ЯДЕРНЫХ ТРЕКОВ ВЫТЯЖКА (в том числе, в активных средах); СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ.

ИНВЕРСИЯ ФАЗ: процесс фазового разделения, заключающийся в контролируемом переводе полимера из раствора в твердое состояние СПОСОБЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО РАССЛОЕНИЯ ИСХОДНОГО РАСТВОРА : УДАЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ (СУХОЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ, EVAPORATION INDUCED PHASE INVERSION (EIPS)); ДОБАВЛЕНИЕ ОСАДИТЕЛЯ (МОКРЫЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ, DIFFUSION INDUCED PHASE INVERSION (DIPS)); ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ (МЕТОД СПОНТАННОГО ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ, TEMPERATURE INDUCED PHASE INVERSION (TIPS)).

СУХОЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ И НЕПОРИСТЫХ МЕМБРАН Формование плоских мембран проводят на машинах барабанного или ленточного типов. Схема машины барабанного типа Схема машины ленточного типа готовая сухая мембрана формовочный раствор отработанный воздух воздух барабан воздух готовая сухая мембрана формовочный раствор отработанный воздух лента из нержавеющей стали

МОКРЫЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ СУЩНОСТЬ МЕТОДА ФОРМОВОЧНЫЙ РАСТВОР ОТЛИВАЕТСЯ НА СООТВЕТСТВУЮЩУЮ ПОДЛОЖКУ И ПОГРУЖАЕТСЯ В КОАГУЛЯЦИОННУЮ ВАННУ, СОДЕРЖАЩУЮ ОСАДИТЕЛЬ. ОСАЖДЕНИЕ ПОЛИМЕРА ПРОИСХОДИТ БЛАГОДАРЯ ОБМЕНУ РАСТВОРИТЕЛЯ И ОСАДИТЕЛЯ. Формование плоских мембран проводят на машинах барабанного или ленточного типов.

Насос Формовочная шахта Волокно Приемный барабан Фильера СХЕМА ФОРМОВАНИЯ ПОЛЫХ ВОЛОКОН

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ: СУХО-МОКРЫЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ. В ЭТОМ СЛУЧАЕ ПРОИЗВОДЯТ ЧАСТИЧНОЕ ИСПАРЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ (СТАДИЯ ПРЕДФОРМОВАНИЯ) А ЗАТЕМ ПРОВОДЯТ ОСАЖДЕНИЕ ДОБАВЛЯЯ ОСАДИТЕЛЬ. Поверхность АЦ мембраны, полученной при различном времени предформования из растворов а ацетоне (легкокипящий растворитель) и 2-метил- 2,4- пропандиола (нелетучий нерастворитель)

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОКИПЯЩИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ ИХ ПОЛНОГО ИСПАРЕНИЯ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ТРЕБУЕТСЯ МНОГО ВРЕМЕНИ, ПОЭТОМУ ПРОЦЕСС УСКОРЯЮТ, НАГРЕВАЯ СИСТЕМУ. ЭТИМ МЕТОДОМ ПОЛУЧАЮТ АСИММЕТРИЧНЫЕ МЕМБРАНЫ ДЛЯ ОБРАТНОГО ОСМОСА. МЕТОД ПОЛУЧИЛ НАЗВАНИЕ TAEPS (THERMALLY ASSISTED EVAPORATIVE PHASE-SEPARATION PROCESS).

ФОРМОВАНИЕ МЕМБРАН ОСАЖДЕНИЕМ В ПАРОВОЙ ФАЗЕ Схема машины для формования мембран с участием паровой фазы Типичная структура мембраны Если растворитель способен смешиваться с водой, а предформование проводят с участием паровой фазы, то уже на этой стадии происходит осаждение полимера камеры искусственного климата фильера формовочный раствор мембрана приемная бобина лента из нержавеющей стали

СУЩНОСТЬ МЕТОДА РАСТВОР ПОЛИМЕРА В СМЕСИ ИЛИ ИНДИВИДУАЛЬНОМ РАСТВОРИТЕЛЕ, ПРИГОТОВЛЕННЫЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ВЫШЕ ВКТС, ОХЛАЖДАЕТСЯ ДО ТЕХ ПОР, ПОКА НЕ ПРОИСХОДИТ ФАЗОВОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ. МЕТОД СПОНТАННОГО ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ, ИМЕЮЩИХ ВЕРХНЮЮ КРИТИЧЕСКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ СМЕШЕНИЯ (ВКТС) ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ НЕ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ФОРМОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ ИЛИ ВОЛОКОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА И ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МИКРОФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН.

СХЕМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕМБРАН МЕТОДОМ СПОНТАННОГО ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ Медленное охлаждение Быстрое охлаждение Реализовано фирмой Akzo для получения микрофильтрационных мембран из полипропилена и поливинилиденфторида Приготовление раствора полимера Регенерация растворителя Охлаждающий барабан Экстракция и пост-обработка Сушка Контроль мембран Узел приема мембраны Экстрагирующая жидкость Растворитель

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ (ВЫМЫВАНИЕ) НАПОЛНИТЕЛЯ СУЩНОСТЬ МЕТОДА Раствор или расплав полимера, содержащий соответствующий наполнитель экструдируют в виде пленки или волокна. Затем наполнитель экстрагируется. Разновидностью выщелачивания является травление треков, образованных в пленке высокоэнергетическими частицами. Термостабилизация Узел приема мембраны Сушильный аппаратНаправляющие валки Экстракция Охлаждающий барабан Шаблон (матрица) Подача растворителя Загрузочная воронка

СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ФИЛЬТРОВ Треки Заряженные частицы Непористая пленка Этап 1: Поликарбонатная пленка облучается заряженными частицами в ядерном реакторе Поры Этап 2: Треки, остающиеся после прохождения частиц, выщелачиваются, преобразуясь в одинаковые цилиндрические поры Ванна выщелачивания

ВЫТЯЖКА СУЩНОСТЬ МЕТОДА экструдированная пленка из аморфно-кристаллического полимерного материала, вытягивается по направлению, перпендикулярному направлению экструзии. При приложении механического напряжения формируются трещины, образующие пористую структуру. ПП мембрана Селгард, полученная методом вытяжки Экструзионное выдавливание расплава Формование Растягивание Слой Межслойная область Мостичная структура Микропоры

СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ СУЩНОСТЬ МЕТОДА формование из сыпучего материала пленки с последующим спеканием частиц при температуре, близкой к температуре плавления материала Схема образования пор при спекании Комбинацией вытяжки и спекания ПЭТФ получают мембраны Гоур-Текс: экструзия композиции дисперсного и тонковолоконного ПЭТФ, содержащей смазку (15-20% керосина) с последующим удалением смазки нагреванием, одноосной или двухосной вытяжкой и спеканием полученного материала. мембрана Гоур-Текс

НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ Используется для получения композиционных мембран, состоящих из двух различных материалов, причем селективный мембранный материал наносится в виде тонкого слоя на более или менее пористую подложку МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ: НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НАНЕСЕНИЕ ПОГРУЖЕНИЕМ ИЛИ ВПИТЫВАНИЕМ МЕЖФАЗНАЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ ПЛАЗМЕННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

СУЩНОСТЬ МЕТОДА Раствор модифицирующего полимера в несмешивающемся с водой растворителе наносится на поверхность воды образуя тонкую пленку, которая подхватывается движущейся микропористой подложкой. Схема получения составных мембран НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК Вода Микропористая подложка Композиционная мембрана Полимер в растворителе, не смешивающемся с водой

НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ПОГРУЖЕНИЕМ СУЩНОСТЬ МЕТОДА мембрана погружается в разбавленный раствор полимера, олигомера или мономера затем высушивается и образуется слой модифицирующего полимера. В ряде случаев проводят химическую сшивку модифицирующего слоя. Схема нанесения при погружении Узел подачи Автономное намоточное устройство с регулируемой скоростью Ванна для нанесения при погружении Погружной валик Сушильный шкаф

НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ПРОПИТКИ (meniscus-coating technique) СУЩНОСТЬ МЕТОДА микропористая подложка контактирует с раствором полимера. В результате капиллярного всасывания образуется жидкий слой модифицирующего раствора толщиной мкм, затем мембрана поступает на сушку Схема получения мембран методом пропитки Полимерный раствор Поверхностный слой Микропористая подложка Барабан

МЕЖФАЗНАЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ КОМПОЗИТНОЙ МЕМБРАНЫ ОБРАБОТКА ВОДОРАСТВОРИМЫМ МОНОМЕРОМ ИЛИ ОЛИГОМЕРОМ ОБРАБОТКА МОНОМЕРОМ В НЕСМЕШИВАЮЩИМСЯ С ВОДОЙ РАСТВОРИТЕЛЕ

Схема установки для получения мембран методом межфазной поликонденсации Сушильный шкаф Фаза органического хлорангидрида Водный раствор амина Барабан подачи подложки композиционной мембраны Узел приема мембраны Раствор для нанесения защитного слоя

ПЛАЗМЕННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ Схема установки плазменной полимеризации В ионизированный электрическим разрядом высокой частоты газ вводится мономер. Образующийся высокомолекулярный продукт осаждается на поверхности мембраны СУЩНОСТЬ МЕТОДА подложка Газообразный мономер

ПОЛУЧЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ (ИОНООБМЕННЫХ) МЕМБРАН полимераналогичные превращения полимеров, имеющих реакционноспособные функциональные группы, легко вступающие в последующие реакции; химическая модификация полиолефиновых пленок (полипропилен, полиэтилен); привитая сополимеризация, часто активируемая радиационно-химическим методом.

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION