一種制備PTFE微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置
一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置
技術領域
1.本發明涉及復合材料制備裝置技術領域，尤其是涉及一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置。
背景技術：
2.ptfe微孔膜因其具有孔徑小、耐溫性強、化學穩定性優良等特點，在防水透濕、過濾分離、電子能源等領域有著廣泛的應用。但ptfe微孔膜具有高疏水性和高表面化學惰性，使其難以與其他材料相復合，通常需要通過對其進行表面改性后，再通過熱熔膠覆合的方法得到ptfe微孔膜的復合材料。在此過程中，壓輥復合工藝的壓力難以精準調控，易造成ptfe微孔膜原有孔道結構堵塞，使其損失原有的小孔徑、高孔隙率特性。
3.專利zl202111536347.4公開了一種復合膜制備用ptfe膜輔助復合裝置，該裝置包括精調吸附機構和復合輥組件，通過吸附盤和風機將ptfe膜送入復合輥中進行層壓復合。該裝置通過物理壓合的方法將ptfe膜與基膜緊密層壓，易造成材料的結構損壞，導致力學性能降低。專利zl202110882006.6公開了一種冷輥熱熔復合機及其覆膜濾料生產設備，該設備包括輸送裝置、遠紅外加熱裝置、覆膜裝置和收卷裝置，將ptfe膜與表面纖維融化的針刺氈在壓輥作用下復合。該裝置通過融化纖維的粘合作用與ptfe膜復合，一定程度上保持了材料原有的孔結構，但無法進一步降低孔徑，提高孔隙率。專利zl201810966123.9公開了一種改性ptfe膜和滌綸機織物制備層壓織物的方法，該方法將ptfe微孔膜進行熱處理使其具有表面粘附性，再與滌綸織物進行復合得到層壓織物。該方法中熱處理雖然改變了ptfe膜表面化學惰性，但纖維間的熔融粘合易堵塞原有的孔道結構，造成其孔結構的破壞，限制了其實際應用。
4.當前亟待開發一種將ptfe微孔膜基材表面改性、二維納米纖網制備以及層間復合的工藝流程集成一體化，并且無損復合ptfe微孔膜復合材料的連續化生產裝置。
技術實現要素：
5.本發明的目的是提供一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，該連續化裝置將ptfe微孔膜基材表面改性、二維納米纖網制備以及層間復合的工藝流程集成一體化。
6.本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，該裝置包括溶液分區配制機構、均勻浸漬改性機構和負壓抽濾相分離機構；
7.所述的溶液分區配制機構包括改性溶膠配制組件、聚合物溶液配制組件和非溶劑配置組件；
8.其中，改性溶膠配制組件、聚合物溶液配制組件和非溶劑配置組件沿基材移動方向依次安裝在均勻浸漬改性機構上方，與均勻浸漬改性機構通過進液管道連通，均勻浸漬改性機構下方通過吸液管道連接負壓抽濾相分離機構。
9.進一步地，所述的改性溶膠配制組件包括帶有攪拌槳的攪拌釜、ph檢測探頭以及凝膠化檢測器；其中，ph檢測探頭安裝在攪拌槳靠近槳葉的一端，用于檢測溶液的酸堿性，從而控制水解程度，攪拌槳的另一端與凝膠化檢測器相連，通過攪拌軸的轉速變化反映體系的凝膠化程度；所述的攪拌釜頂部開設有快速進料口和慢速進料口，快速進料口的口徑大，可將正硅酸乙酯和水快速加入攪拌釜中反應，而慢速進料口的口徑小，可防止酸試劑緩慢滴加過程中揮發；攪拌釜底部通過帶有第一進液閥的進液管道與均勻浸漬改性機構連接。
10.進一步地，所述的聚合物溶液配制組件包括帶有攪拌槳的攪拌釜，所述的攪拌釜頂部開設有快速進料口，底部通過帶有第二進液閥的進液管道與均勻浸漬改性機構連接。
11.進一步地，所述非溶劑配置組件包括非溶劑液罐，其通過底部帶有第三進液閥的進液管道與均勻浸漬改性機構連接。
12.進一步地，所述的均勻浸漬改性機構包括底部為金屬網的浸漬槽、帶動基材進出浸漬槽的傳送組件以及滲液槽；
13.所述的傳送組件包括傳送輥和壓輥，所述的傳送輥安裝在浸漬槽兩側上方，壓輥安裝在浸漬槽中；
14.所述的浸漬槽放置在滲液槽中，浸漬槽底部金屬網上安裝有超聲振動點陣，可通過超聲振動使基材上的溶液快速鋪展，超聲振動點陣上鋪有緩沖墊，浸漬槽中央安裝有微波加熱器，可對浸漬槽中的溶膠進行加熱，促進其凝膠化過程，浸漬槽頂部通過可移動的滑軌底座安裝有刮輥。
15.更進一步地，所述的緩沖墊材質包括針刺布、水刺布、紡粘布或纖維素濾紙中的一種或幾種，緩沖墊孔徑為0.1～10mm，厚度為0.1～10mm；所述的金屬網材質為銅、鐵、不銹鋼、氧化鐵、氧化銅或銀中的一種或幾種，金屬網孔徑為1～100mm，厚度為0.1～5mm。
16.更進一步地，所述的超聲振動點陣的超聲功率為0.1～1kw，超聲頻率為1～20khz；微波加熱器功率為0.1～1kw，溫度為20～60℃。
17.更進一步地，所述的刮輥的刮輥壓力為0.1～10kg，刮輥速度為5～100cm/min，刮膜厚度為1～10μm。
18.進一步地，所述的負壓抽濾相分離機構包括廢液罐和負壓風機，所述的廢液罐的底部安裝有帶有出液閥的出液管道，便于及時清理廢液，平衡罐內氣壓；所述的負壓抽濾相分離機構通過帶有抽濾控制閥的吸液管道與滲液槽底部連通，負壓風機產生負壓抽吸風，將浸漬槽中的液體通過滲液槽、吸液管道抽吸至廢液罐中。
19.更進一步地，所述的負壓抽濾相分離機構的負壓抽濾壓力為0.5～1mpa，抽濾速度為1～10l/min，抽濾時間為2～10min。
20.該裝置的工作原理為：首先在改性溶膠配制區配置得到親水性氧化硅溶膠，氧化硅溶膠在攪拌釜中發生水解縮合反應，向其中緩慢滴入酸試劑以控制水解反應的速率，ph檢測探頭可實時監測體系的ph值，以此反饋調整酸試劑的添加量，同時凝膠化檢測器通過監測攪拌軸的攪拌速率得到溶膠的粘度數據，以此反映凝膠交聯程度，當溶膠凝膠化至預定值，通過第一進液閥加入浸漬槽中，使基材進行浸漬親水改性，通過可移動的滑軌底座安裝的刮輥對ptfe微孔膜基材表面溶膠進行刮涂，使基材在溶膠中充分浸潤，隨后開啟微波加熱器，加速溶膠干燥，完成對基材的表面親水改性；接著在聚合物溶液配制區的攪拌釜中
配制功能化修飾的聚合物溶液，通過第二進液閥將溶液緩慢注入親水改性的基材表面，在刮輥輔助刮涂和超聲振動分散作用下，聚合物溶液迅速在親水基材表面形成連續的超薄液膜；最后打開第三進液閥，將大量非溶劑注入浸漬槽中；再打開抽濾控制閥，通過負壓抽濾的方法，使非溶劑與液膜中的溶劑迅速雙擴散，液膜相分離成孔，在基材表面形成連續覆蓋的二維納米纖網，得到無損復合的、小孔徑、高孔隙率ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料。
21.與現有技術相比，本發明具有以下優點：
22.1、本發明一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，在溶液分區配制機構與均勻浸漬改性機構協同作用下，可實現ptfe微孔膜的無損親水改性和聚合物液膜的超薄均勻鋪展；并且可通過改變負壓抽濾相分離機構的工藝參數實現對二維納米纖網微孔結構的有效調控，有利于進一步降低材料孔徑、提高其孔隙率，使所制備的復合材料滿足多種應用場景下的性能需求；
23.2、本發明一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，該裝置將基材表面改性、二維納米纖網制備以及層間復合的工藝流程集成一體化，實現了復合材料的連續化制備，大幅節約時間成本，提高了生產效率，解決了現有ptfe膜復合材料制備過程中存在的熱熔膠涂覆易堵塞原有孔結構、壓輥復合易破壞材料力學性能、改性復合工藝流程不連續以及生產效率低等問題。
附圖說明
24.圖1為本發明一種結構示意圖；
25.圖中標識為：1：攪拌釜；1.1：攪拌槳；1.2：快速進料口；1.3：慢速進料口；2：ph檢測探頭；3：凝膠化檢測器；4：非溶劑液罐；5：浸漬槽；5.1：金屬網；5.2：超聲振動點陣；5.3：緩沖墊；5.4：微波加熱器；5.5：滑軌底座；5.6：刮輥；6：滲液槽；7：傳送輥；8：壓輥；9：廢液罐；10：負壓風機；11：進液管道；11.1：第一進液閥；11.2：第二進液閥；11.3：第三進液閥；12：吸液管道；12.1：抽濾控制閥；13：出液管道；13.1：出液閥。
具體實施方式
26.下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
27.以下實施例中使用的各種設備皆為市售設備。
28.實施例1
29.如圖1所示，本發明一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，包括溶液分區配制機構、均勻浸漬改性機構和負壓抽濾相分離機構；
30.所述的溶液分區配制機構包括用于ptfe微孔膜基材表面親水改性的氧化硅改性溶膠配制組件、用于二維納米纖網的鋪網聚合物溶液配制組件以及用于聚合物液膜發生相分離的非溶劑配置組件；
31.所述的改性溶膠配制組件包括帶有攪拌槳1.1的攪拌釜1、用于檢測反應溶液的酸堿性以控制反應體系水解程度的ph檢測探頭2以及用于反映體系的凝膠化程度的凝膠化檢測器3；其中，ph檢測探頭2安裝在攪拌槳1.1靠近槳葉的一端，用于檢測溶液的酸堿性，從而控制水解程度，攪拌槳1.1的另一端與凝膠化檢測器3相連，通過攪拌軸的轉速變化反映體系的凝膠化程度；所述的攪拌釜1頂部開設有快速進料口1.2和慢速進料口1.3，快速進料口
1.2的口徑大，可將正硅酸乙酯和水快速加入攪拌釜中反應，而慢速進料口1.3的口徑小，可防止酸試劑緩慢滴加過程中揮發；
32.所述的聚合物溶液配制組件包括頂部開設有快速進料口1.2的攪拌釜1；所述的非溶劑配置組件包括非溶劑液罐4；
33.其中，聚合物溶液配制組件中的攪拌釜1、非溶劑配置組件中的攪拌釜1以及改性溶膠配制組件中的非溶劑液罐4均通過其底部帶有進液閥的進液管道11與均勻浸漬改性機構連通。
34.所述的均勻浸漬改性機構包括浸漬槽5、帶動基材進出浸漬槽5的傳送組件以及滲液槽6；所述的浸漬槽5的底部為金屬網5.1，其材質為銅、鐵、不銹鋼、氧化鐵、氧化銅或銀中的一種或幾種，孔徑為1～100mm，厚度為0.1～5mm；
35.所述的浸漬槽5放置在滲液槽6中，浸漬槽5底部金屬網5.1上安裝有超聲振動點陣5.2，超聲振動點陣5.2上鋪有緩沖墊5.3，浸漬槽5中央安裝有微波加熱器5.4，浸漬槽5頂部通過可移動的滑軌底座5.5安裝有刮輥5.6；其中，超聲振動點陣5.2的超聲功率為0.1～1kw，超聲頻率為1～20khz；緩沖墊5.3材質包括針刺布、水刺布、紡粘布或纖維素濾紙中的一種或幾種，緩沖墊5.3孔徑為0.1～10mm，厚度為0.1～10mm；微波加熱器5.4功率為0.1～1kw，溫度為20～60℃；刮輥5.6的刮輥壓力為0.1～10kg，刮輥速度為5～100cm/min，刮膜厚度為1～10μm；
36.所述的傳送組件包括傳送輥7和壓輥8，所述的傳送輥7安裝在浸漬槽5兩側上方，壓輥8安裝在浸漬槽5中。
37.所述的負壓抽濾相分離機構包括底部帶有出液閥13.1的出液管道13的廢液罐9和負壓風機10，所述的負壓抽濾相分離機構通過帶有抽濾控制閥12.1的吸液管道12與滲液槽6底部連通，負壓風機10產生負壓抽吸風，將浸漬槽5中的液體通過滲液槽6、吸液管道12抽吸至廢液罐9中；其中，負壓抽濾相分離機構的負壓抽濾壓力為0.5～1mpa，抽濾速度為1～10l/min，抽濾時間為2～10min。
38.該裝置制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的技術原理為：將功能化修飾的聚合物鋪網溶液涂覆在氧化硅溶膠親水改性后的ptfe微孔膜表面，再經非溶劑負壓抽濾相分離成網得到ptfe微孔膜/二維納米纖網復合膜。具體地，首先將正硅酸乙酯作為硅源進行水解，通過調節硅源與水的摩爾比，使正硅酸乙酯進行充分水解，使其縮聚所形成的大分子鏈上帶有足夠多的羥基，從而獲得高親水性；再通過功能化修飾的方法在聚合物高分子鏈上接枝功能性官能團，使其與金屬離子發生絡合作用形成穩定絡合物膠體，實現對金屬離子的吸附沉積作用；隨后以在氧化硅溶膠中浸漬改性的ptfe微孔膜作為基材，將功能化修飾的聚合物鋪網溶液涂覆至其表面，溶液在親水表面鋪展形成連續的超薄聚合物液膜；再通過非溶劑負壓抽濾的方法，使液膜中的溶劑與非溶劑進行雙擴散，聚合物液膜發生相分離形成二維網孔結構，并且通過改變抽濾速度實現對二維網孔結構的有效調控，即獲得具有高金屬離子吸附性、高過濾通量的ptfe微孔膜/二維納米纖網復合膜。
39.在改性溶膠配制組件的攪拌釜1中，正硅酸乙酯與水的投料摩爾比為1:4～1:10，調節反應體系ph值的酸試劑包括磷酸、乙酸、鹽酸或硝酸中的一種或幾種，加入酸試劑后的攪拌時間為4～8h；
40.在聚合物溶液配制組件的攪拌釜1中，聚合物包括纖維素、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰
亞胺、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚酰胺、聚氨酯或聚乙烯醇中的一種或幾種，鋪網溶劑中聚合物質量分數為0.1～10wt％；
41.在非溶劑液罐4中，非溶劑包括水、甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、甲酚、環己烷、異丁醇、正丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、n-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、丙酮或n-甲基嗎啉-n-氧化物中的一種或幾種。
42.實施例2
43.采用本發明連續化裝置制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的步驟如下：
44.1)將50g正硅酸乙酯、400g水通過快速進料口1.2加入改性溶膠配制組件的攪拌釜1中，通過攪拌槳1.1不斷攪拌，攪拌均勻后，再通過攪拌釜1上的慢速進料口1.3緩慢滴入酸試劑乙酸，直至ph檢測探頭2顯示數值為2～3，停止滴加酸試劑，再繼續攪拌4h，得到氧化硅溶膠，此過程中通過凝膠化檢測器3監測體系粘度≤1000cp；
45.2)將10g聚氨酯與500g n,n-二甲基甲酰胺加入聚合物溶液配制組件的攪拌釜1中，充分攪拌4h得到鋪網溶液；將5kg水加入非溶劑液罐4中；
46.3)選取孔徑為3μm，孔隙率為75％，厚度為20μm的ptfe微孔膜，通過傳送組件中的傳送輥7傳送至浸漬槽5中，由壓輥8固定；打開第一進液閥11.1，將氧化硅溶膠注入浸漬槽5中，使基材在浸漬槽5中浸漬；同時開啟刮輥5.6在ptfe微孔膜基材表面進行刮涂，刮輥壓力為5kg，刮輥速度為10cm/min，刮膜厚度為10μm；開啟微波加熱器5.4，設置功率為0.5kw，溫度為40℃，使氧化硅溶膠與基材充分浸漬并使凝膠快速干燥，得到表面親水改性的ptfe微孔膜；
47.4)打開第二進液閥11.2，將聚合物溶液注入浸漬槽5中，設置刮輥壓力為8kg，刮輥速度為20cm/min，刮膜厚度為2μm，將聚合物溶液均勻涂覆在表面親水改性的ptfe微孔膜上，形成連續的超薄液膜；
48.5)打開非溶劑液罐4底部的第三進液閥11.3將大量非溶劑注入浸漬槽5中誘導相分離，再打開抽濾控制閥12.1以及負壓風機10，設置負壓抽濾壓力為0.5mpa，抽濾速度為2l/min，抽濾時間為150s，通過負壓抽濾的方法，使非溶劑與液膜中的溶劑迅速雙擴散，液膜相分離成孔形成二維網孔結構，在基材表面形成連續覆蓋的二維納米纖網，即得到ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料。
49.盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。
技術特征：
1.一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，包括溶液分區配制機構、均勻浸漬改性機構以及負壓抽濾相分離機構；所述的溶液分區配制機構包括改性溶膠配制組件、聚合物溶液配制組件以及非溶劑配置組件；其中，改性溶膠配制組件、聚合物溶液配制組件以及非溶劑配置組件安裝在均勻浸漬改性機構上方，與均勻浸漬改性機構通過管道連通，均勻浸漬改性機構下方通過管道連接負壓抽濾相分離機構。2.根據權利要求1所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的改性溶膠配制組件包括帶有攪拌槳(1.1)的攪拌釜(1)、ph檢測探頭(2)以及凝膠化檢測器(3)；其中，ph檢測探頭(2)安裝在攪拌槳(1.1)靠近槳葉的一端，攪拌槳(1.1)的另一端與凝膠化檢測器(3)相連；所述的攪拌釜(1)頂部開設有快速進料口(1.2)和慢速進料口(1.3)，底部通過帶有第一進液閥(11.1)的進液管道(11)與均勻浸漬改性機構連接。3.根據權利要求1所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的聚合物溶液配制組件包括帶有攪拌槳(1.1)的攪拌釜(1)，所述的攪拌釜(1)頂部開設有快速進料口(1.2)，底部通過帶有第二進液閥(11.2)的進液管道(11)與均勻浸漬改性機構連接。4.根據權利要求1所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述非溶劑配置組件包括非溶劑液罐(4)，其通過底部帶有第三進液閥(11.3)的進液管道(11)與均勻浸漬改性機構連接。5.根據權利要求1所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的均勻浸漬改性機構包括底部為金屬網(5.1)的浸漬槽(5)、帶動基材進出浸漬槽(5)的傳送組件以及滲液槽(6)；所述的傳送組件包括傳送輥(7)和壓輥(8)，所述的傳送輥(7)安裝在浸漬槽(5)兩側上方，壓輥(8)安裝在浸漬槽(5)中；所述的浸漬槽(5)放置在滲液槽(6)中，浸漬槽(5)底部金屬網(5.1)上安裝有超聲振動點陣(5.2)，超聲振動點陣(5.2)上鋪有緩沖墊(5.3)，浸漬槽(5)中央安裝有微波加熱器(5.4)，浸漬槽(5)頂部通過可移動的滑軌底座(5.5)安裝有刮輥(5.6)。6.根據權利要求5所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的金屬網(5.1)材質為銅、鐵、不銹鋼、氧化鐵、氧化銅或銀中的一種或幾種，金屬網(5.1)孔徑為1～100mm，厚度為0.1～5mm；所述的緩沖墊(5.3)材質包括針刺布、水刺布、紡粘布或纖維素濾紙中的一種或幾種，緩沖墊(5.3)孔徑為0.1～10mm，厚度為0.1～10mm。7.根據權利要求5所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的超聲振動點陣(5.2)的超聲功率為0.1～1kw，超聲頻率為1～20khz；微波加熱器(5.4)功率為0.1～1kw，溫度為20～60℃。8.根據權利要求5所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的刮輥(5.6)的刮輥壓力為0.1～10kg，刮輥速度為5～100cm/min，刮膜厚度為1～10μm。
9.根據權利要求1或5所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的負壓抽濾相分離機構包括廢液罐(9)和負壓風機(10)，所述的廢液罐(9)的底部安裝有帶有出液閥(13.1)的出液管道(13)；所述的負壓抽濾相分離機構通過帶有抽濾控制閥(12.1)的吸液管道(12)與滲液槽(6)底部連通。10.根據權利要求9所述的一種制備ptfe微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，其特征在于，所述的負壓抽濾相分離機構的負壓抽濾壓力為0.5～1mpa，抽濾速度為1～10l/min，抽濾時間為2～10min。
技術總結
本發明涉及一種制備PTFE微孔膜/二維納米纖網復合材料的連續化裝置，包括溶液分區配制機構、均勻浸漬改性機構和負壓抽濾相分離機構；所述溶液分區配制機構包括改性溶膠配制組件、聚合物溶液配制組件和非溶劑配置組件；其中，改性溶膠配制組件、聚合物溶液配制組件和非溶劑配置組件安裝在均勻浸漬改性機構上方，與均勻浸漬改性機構通過管道連通，均勻浸漬改性機構下方通過管道連接負壓抽濾相分離機構。本發明連續化裝置將基材表面改性、二維納米纖網制備以及纖維膜復合的工藝流程集成一體化，實現了復合材料的連續化制備，解決了現有PTFE膜復合材料制備過程中熱熔膠涂覆易堵塞原有孔結構、壓輥復合易破壞材料力學性能、改性復合工藝流程不連續等問題。合工藝流程不連續等問題。合工藝流程不連續等問題。
