Пористые фторопластовые мембраны

Среди синтетических пористых мембран особое место занимают фторполимеры благодаря своей высокой химической и тепловой стойкости, гидрофобностью, электроизоляционным свойствам и биосовместимостью. В 1969 году в США был открыт способ получения пористых мембран из политетрафторэтилена. В основе технологии лежит простой процесс ориентационной вытяжки полимерной пленки при высокой температуре в присутствии ароматических углеводородов. При этом происходит одноосное дисперсное ориентирование и переход от исходной ламеллярной в фибриллярную волокнистую структуру с мельчайшими порами. (ФОТО 1) Вот что говорит производитель этих мембран фирма GORE-TEX.

“Мембрана GORE-TEX содержит около 1.4 млрд пор на 1см2 с условным радиусом 0.1225 микрон. Таким образом мембрана будет эффективна для фильтрации жидкостей и газов с очень высоким рейтингом фильтрации и для разделения смесей, находящихся в различных агрегатных состояниях. Особенно эффективна она будет работать как “дышащая” гидрофобная мембрана не пропускающая воду, но легко пропускающая водяной пар (пот), например в спортивной одежде.”

Читаем далее : “Мембрана GORE-TEX гарантирует 100% водонепроницаемость, поскольку размер пор в 20 000 раз меньше капли воды и в 700 раз больше молекулы водяного пара, что гарантирует отвод водяного пара (пота). Учитывая избыточное давление капли дождя в 0,5-0,6 атм. мембрана имеет шестикратный запас прочности по гидрофобности ( выдерживает 30 м водяного столба) (3 атм)”.

Эти данные вызывают массу вопросов. Известно, что гидрофобность зависит не только от размеров пор, но и от состояния поверхности мембраны ( эффект лотоса) и др. факторов. А взаимодействие неполярных молекул фторопласта с полярными молекулами воды имеет место по обе стороны мембраны (сопротивление пропусканию). С одной стороны вода(дождь) с другой стороны водяной пар (пот) т. е. гидрофобность с двух сторон. А как же тогда по поводу пропускания пара? Нам представляется, что должно быть наоборот. “Дышащая” мембрана должна работать с большим запасом по пропусканию пара.. Характерно, что производитель не приводит никаких данных по отводу водяного пара ( пота). Будет ли мембрана свободно пропускать пот или требуется избыточное давление, что недопустимо для тканевых “дышащих” мембран.

Мы поставили простой опыт . Сосуд с водой , герметично накрытый мембраной GORE-TEX толщиной 100 мкм, подвергли нагреву и довели до кипения. С удивлением выяснилось, что при 50С мы вообще не заметили видимого пропускания пара и только при кипячении воды мембрана начинает пропускать водяной пар ,причем только под избыточным давлением, что неприемлемо для “дышащей” мембраны (См .ФОТО 1 со вспученной от давления пара мембраной). Вывод напрашивается такой- мембрана плохо работает по пропусканию пара и имеет излишний (шестикратный) запас по пропусканию воды. Изменить характеристики мембраны по данной технологии очень сложно. При дальнейшем увеличении вытяжки ( экспандирования) мембрана рвется. Качественная мембрана получается только в диапазоне плотностей 0.7-0.8 г\см3 с определенным размером пор. По данным других производителей именно такая плотность указана в экспандированных волокнистых пленках и листах, а изменить характеристики мембраны можно только предельно увеличив поры и изменить рельеф поверхности мембраны так, чтобы оставался запас гидрофобности по воде и свободное пропускание пара. Такая задача была поставлена на нашем предприятии. Идея заключалась в том, что эффективно менять размер пор и рельеф поверхности мембраны можно не путем изменения структурной реорганизации вытяжкой и получения волокнистой структуры , а путем создания заранее заданной структуры непосредственно из волокон. Для этого необходимо было разработать технологию изготовления тончайших волокон из политетфторэтилена. Вплоть до настоящего времени получение волокон из политетрафторэтилена сопряжено с технологическими трудностями из-за практически нерастворимости фторопласта в основных растворителях и высокой вязкости его расплава. Полимер не пригоден для традиционных способов получения волокон. Поэтому на нашем предприятии была разработана твердофазная технология получения волокон с условными диаметрами от 5до100 мкм и выше и их скрепление путем термосварки. В результате удалось получить мембраны толщиной от 70 до 200 мкм с широким диапазоном плотностями от 0.6 до 1.2 г\см3. Наши мембраны отличаются отличной гидрофобностью благодаря рельефной поверхности. ( ФОТО 2 , увеличение в 40 раз)) в отличие от почти гладкой поверхности мембраны GORE-TEX (ФОТО 1). На ФОТО 2 показан сравнительный опыт с нашей мембраной. Видно, что водяной пар свободно проникает через мембрану без избыточного давления. На ФОТО 2 также показана структура мембраны полученная из волокон. Отметим также, что прочность и жесткость нашей мембраны выше чем высокопластичной, легко растягивающейся мембраны GORE-TEX. На сегодняшний день возможности нашего производства позволяют изготавливать тонкие мембраны 70-150 мкм шириной до 140 мм , а боле толстые мембраны с толщинами 200-500 мкм шириной до 500 мм.

Фото: Опыт, поверхность и структура мембраны GORE-TEX

Фото: Опыт, поверхность и структура мембраны из волокон фторопласта.