Как изготавливаются мембраны из полых волокон? Полное пошаговое руководство

Производство мембран из полых волокон - сложный процесс, объединяющий принципы различных научных дисциплин. В этом полном руководстве, как профессионал Производитель мембран из полых волоконЯ расскажу о ключевых этапах и методах изготовления этих уникальных материалов в доступной форме.

Введение в мембраны из полых волокон

Прежде чем перейти к рассмотрению методов производства, давайте начнем с краткого обзора того, что именно представляют собой мембраны из полых волокон.

По сути, полые волокна представляют собой разновидность цилиндрических полимерных мембран с пористыми стенками. Они имеют множество важных применений в биомедицине, биотехнологиях и экологии.

Некоторые из основных областей применения включают:

• Фильтрация
• Диализ
• Тканеинженерные скаффолды
• Подставки для клеточных культур
• Малогабаритные биореакторы

Ключевым преимуществом конфигурации полых волокон является чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объему, что позволяет создавать очень компактные и эффективные модули.

Теперь, когда мы знаем, что это такое и почему они полезны, давайте выясним, как эти материалы производятся.

Методы прядения для производства полых волокон

Существует несколько основных технологий прядения, используемых для производства мембран из полых волокон:

Сухое струйное прядение

В процессе сухого струйного прядения полимерный раствор экструдируется через фильеру в воздушный зазор, после чего попадает в коагуляционную ванну.

Начальное испарение растворителя в воздушном зазоре изменяет свойства раствора, что изменяет кинетику образования мембраны при контакте экструдата с нерастворимым коагулянтом.

Этот метод позволяет точно контролировать размеры полых волокон и морфологию кожи. Однако воздействие воздуха может привести к дефектам, если влажность и температура не будут тщательно регулироваться.

Мокрое прядение

В отличие от сухого прядения, при мокром прядении полимерный раствор экструдируется непосредственно в коагуляционную ванну.

Обмен растворителя между раствором полимера и нерастворителем приводит к разделение фазобразуя полую пористую структуру.

Мокрое прядение позволяет избежать сложностей, связанных с воздушным зазором, и при этом регулировать параметры процесса для изменения свойств волокна.

Сухое струйное мокрое прядение

Как следует из названия, сухое мокрое прядение сочетает в себе аспекты как сухого, так и мокрого методов прядения.

Полимерный раствор сначала экструдируется в воздушный зазор, что дает некоторое время для частичного испарения растворителя, а затем поступает в коагуляционную ванну для процесса инверсии фаз.

Эта технология сочетает в себе повышенный контроль над размерами волокна благодаря воздушному зазору и простоту процесса мокрого прядения.

Из этих вариантов наиболее часто используются мокрое прядение и сухое мокрое прядение. Тем не менее, выбор существенно зависит от материалов, желаемой структуры и свойств конечного полого волокна.

Процесс производства мембран из полых волокон

Теперь давайте рассмотрим общий обзор процесса изготовления мембран из полых волокон:

Шаг 1: Приготовьте раствор полимера

Состав прядильного раствора должен быть точно контролируемым, что требует тщательного подбора:

• Полимеры - полисульфон, производные целлюлозы.
• Растворители - DMSO, NMP, DMF являются типичными вариантами.
• Добавки - ПЭГ, ПВП усиливают образование мембраны

Шаг 2: Загрузка раствора полимера в фильеру

Спиннер удерживает и выдавливает раствор и имеет конструкцию "трубка в отверстии":

• Внешний кольцевой слой содержит полимерный раствор
• Внутренняя трубка несет жидкость в отверстии

Шаг 3: Экструзия раствора полимера

Полимерный раствор экструдируется через фильеру вместе с буровым раствором в воздушный зазор или непосредственно в ванну с коагулянтом.

Шаг 4: Процессы инверсии фаз

Между раствором полимера и нерастворителем происходит обмен растворителя, что приводит к разделению фаз и застыванию в микропористом полом волокне.

Шаг 5: После лечения

Полые волокна подвергаются дальнейшей обработке, в том числе:

• Промывка для удаления остатков растворителей/добавок
• Термообработка или химическая модификация

Шаг 6: Изготовление модуля

Полые волокна собираются в цилиндрические модули, что позволяет эффективно использовать их для конечного разделения.

Как уже отмечалось, для получения пористой морфологии мембраны в процессе прядения полых волокон используется специализированный процесс, основанный на методе инверсии фаз.

Сложность заключается в точном изменении параметров на каждом этапе для создания волокна с заданными структурными характеристиками и разделительными свойствами.

Далее мы рассмотрим некоторые из наиболее влиятельных факторов.

Критические материалы и параметры процесса

Решение для спиннинга

Состав прядильного раствора определяет начальную вязкость полимера, поведение фазового разделения и результирующие свойства мембраны из полых волокон.

Ключевые аспекты решения проблемы спиннинга:

• Тип и концентрация полимера - ударная вязкость, кинетика фазовой инверсии
• Система растворителей - влияет на растворимость, термодинамическую стабильность раствора полимера
• Добавки - влияют на разделение фаз, изменяя взаимодействие полимера с растворителем

Например, более вязкий раствор с более высоким содержанием или молекулярной массой полимера дает волокна с меньшей поверхностью пор и более толстыми стенками.

Конструкция спиннерета

Спиннерет - это специализированная насадка, используемая для одновременного контролируемого выдавливания полимерного раствора и бурового раствора.

Он напрямую определяет геометрию и размеры зарождающегося полого волокна, проходящего через воздушный зазор/коагуляционную ванну.

Общие параметры прядильной машины, которые необходимо оптимизировать:

• Размеры внешнего и внутреннего отверстия
• Длина воздушного зазора

Более широкие внутренние отверстия обеспечивают большую пропускную способность, а меньшие кольцевые зазоры - более тонкие стенки волокон. Более длинные воздушные зазоры обеспечивают дополнительное время пребывания для перестройки полимерных цепей.

Состав коагулянта

Коагуляционная ванна имеет решающее значение для инициирования и контроля скорости превращения фазы полимерного раствора в твердое волокно.

Он содержит нерастворитель, который обменивается с растворителем, дестабилизируя полимерный раствор и вызывая осаждение в твердую матрицу, окружающую скважинную жидкость.

Ключевые факторы коагуляционной среды:

• Тип нерастворителя - определяет скорость обмена растворителя и нерастворителя
• Добавки - влияют на кинетику агрегации полимеров
• Температура - воздействует на диффузию и разделение фаз

Например, более высокая температура приводит к ускорению инверсии фаз и уменьшению поверхностных пор. Введение добавок изменяет пористую субструктуру.

После лечения

После первоначального формирования мембраны можно провести дополнительные этапы обработки для дальнейшей модификации волокна:

Стиральная машина - удаляет остатки растворителей/добавок из мембраны
Термообработка
- повышает кристалличность; уменьшает размер пор
Химическое воздействие - изменяет химические свойства поверхности мембраны

Они помогают улучшить такие характеристики, как проницаемость, селективность и химическая стабильность для целевого применения. Однако агрессивная обработка может негативно повлиять на другие показатели эффективности мембраны.

Альтернативные методы изготовления

Хотя традиционное прядение полых волокон является наиболее распространенной технологией производства, активные исследования разрабатывают специализированные методы для производства уникальных волокон.

К числу новых альтернативных стратегий производства относятся:

• Соэкструзия - сочетает два полимерных раствора для создания волокон с различными слоями
• Трехствольные спиннеры - производит двухслойные или многоканальные полые волокна
• Шаблонное формирование - использует жертвенное шаблонное волокно, которое удаляется после нанесения полимерного покрытия
• 3D-печать - Точная печать полых микротрубок в различных конфигурациях
• Электроспиннинг - Использует электрические силы для прядения ультратонких полимерных волокон
• Прядение расплава - экструдирует термопластичные полимеры в расплавленном состоянии для получения пористых полых волокон

Расширяя возможности производства, эти методы открывают новые возможности для создания мембран из полых волокон с новыми свойствами, предназначенными для передовых применений в фильтрации, катализе, тканевой инженерии и других областях.

Область изготовления мембран из полых волокон постоянно развивается, но в ее основе лежит фундаментальная физика фазовых инверсий полимеров, созданная в результате десятилетий исследований.

Тщательный контроль над химическим составом материалов и условиями процесса позволяет с особой точностью управлять процессом формирования из нестабильного полимерного раствора механически прочной и идеально несовершенной пористой структуры.

Невероятно вдохновляюще видеть, как коллективные усилия химиков-полимерщиков, инженеров и производителей могут превратить непритязательные полимерные исходные ингредиенты в такую универсальную и полезную платформенную технологию.

Заключение

Я надеюсь, что это руководство дало полезный обзор основ производства мембран из полых волокон. Вот основные выводы:

• Полые волокна являются важным типом мембран, изготавливаемых в виде цилиндрических пористых структур для компактных модулей
• Методы прядения мокрое, сухое и струйное прядение производят инверсию фаз для формирования волокон
• Сайт прядильный раствор, прядильная машина, коагулянт, и после лечения являются важнейшими рычагами процесса
• Тщательная оптимизация материалов и параметров процесса позволяет настроить морфологию и производительность мембраны из полых волокон

Производство этих уникальных материалов опирается на целый ряд междисциплинарных инженерных и химических принципов. Используя методы изготовления, созданные за десятилетия академических и промышленных исследований, ученые, занимающиеся мембранами, продолжают разрабатывать следующее поколение высокоэффективных мембран из полых волокон.

Какой аспект производства мембран из полых волокон показался вам наиболее интересным? Я с удовольствием выслушаю ваши мысли в комментариях ниже!