自(zì)美國(guó)杜邦公司(Dupont)1945年(nián)開始生産聚四氟乙烯以來，至今已有(yǒu)73 年(nián)曆史。聚四氟乙烯微孔薄膜作為(wèi)PTFE的(de)重要産品應用已十分廣泛，其在生物工程、服裝行(xíng)業、機(jī)械工業、石化、環保等領域都起到了重要的(de)作用。

聚四氟乙烯的(de)特征

3、熱性能
      聚四氟乙烯具有(yǒu)優良的(de)耐高(gāo)溫、耐低(dī)溫性能，熔點為(wèi)327℃，分解溫度為(wèi)415℃可(kě)在200～260℃範圍內(nèi)長(cháng)期使用。但聚四氟乙烯的(de)一(yī)大缺點是：它在熔點以上時不會從高(gāo)彈态轉變到粘流态，即使升溫到分解溫度也不流動，這就使它不能采用一(yī)般熱塑性材料的(de)成型方法。
4、力學(xué)性能
      由于聚四氟乙烯的(de)分子(zǐ)鏈是非極性的(de)，大分子(zǐ)之間的(de)相互吸引力小；大分子(zǐ)鏈無支鏈且剛性較大，纏結很少，所以聚四氟乙烯宏觀上力學(xué)性能表現不佳。但聚四氟乙烯具有(yǒu)較好的(de)延展性，結晶度較低(dī)時，其延展性較好。此外，聚四氟乙烯的(de)耐疲勞性非常優異，即使材料遭到破壞後，材料仍然能保持物理(lǐ)的(de)完整性，不會發生斷裂。
5、電學(xué)性能
      在聚四氟乙烯大分子(zǐ)鏈中，氟原子(zǐ)對稱均勻分布，因而分子(zǐ)不帶極性，使其具有(yǒu)優良的(de)介電性能。該介電性能基本不受電場頻率的(de)影響，并且可(kě)以在較寬的(de)溫度範圍內(nèi)保持不變。此外，聚四氟乙烯中空隙的(de)存在也會使材料的(de)耐電暈性降低(dī)。

6、表面性能
    聚四氟乙烯很難被普通液體所潤濕，其臨界表面張力為(wèi)0.0185N/m，與水的(de)接觸角為(wèi)108度。因此聚四氟乙烯具有(yǒu)突出的(de)不粘性，是一(yī)秘極佳的(de)防粘材料。但另一(yī)方面這種性能又使它極難與其它物質粘合，限制了其應用。

聚四氟乙烯微孔薄膜的(de)發展

聚四氟乙烯微孔薄膜的(de)應用

1、在過濾材料中的(de)應用

覆膜濾料常使用一(yī)層聚四氟乙烯微孔薄膜複合在一(yī)般傳統的(de)濾料介質表面，與普通濾料相比，其空隙直徑降低(dī)了幾十倍。薄膜最小孔徑能達到0.3μm，可(kě)以捕獲大多數固體顆粒和(hé)液滴。

由于覆膜濾料的(de)薄膜表面材質是聚四氟乙烯，因此極其光滑，摩擦系數小，且薄膜具有(yǒu)疏水性，粉塵層與濾料的(de)粘結力小，易于裂離(lí)。在沒有(yǒu)外力的(de)作用下，靠自(zì)重就可(kě)脫落，這保證了濾料表面的(de)潔淨，透氣性能好。這一(yī)特征也使得設備的(de)清灰周期更長(cháng)，設備磨損減少。

由于聚四氟乙烯薄膜有(yǒu)穩定的(de)化學(xué)性能，耐高(gāo)溫、拒水性、疏油性等，因此對高(gāo)溫、高(gāo)濕、高(gāo)腐蝕和(hé)含有(yǒu)有(yǒu)機(jī)物質的(de)特殊氣體也有(yǒu)良好的(de)過濾性，因此該濾料廣泛适用于冶金、化工、煤炭和(hé)水泥等行(xíng)業。

2、在醫學(xué)材料中的(de)應用

聚四氟乙烯微孔薄膜在醫用材料上也獲得廣泛應用，如(rú)手術服、手術巾、傷口敷料、消毒器械包裹材料等。

手術服應具備防護性和(hé)透氣性，以保證手術過程中醫護人員不受傳染病人血液感染及穿着舒适，特别是要防止某些高(gāo)滲透區如(rú)腹部到胸部和(hé)從胳膊肘到手腕衣袖處受到感染。目前已有(yǒu)不同程度的(de)防護性和(hé)透氣性的(de)手術服，如(rú)：單層手術服、身體主要部位(腹到胸、碗到肘)雙層織物層疊的(de)手術服、身體主要部位用聚四氟乙烯微孔薄膜複合的(de)手術服及全薄膜層疊手術服。

資料顯示，在對500件手術服進行(xíng)試驗後發現，在抗血液滲透性方面，單層水刺非織造布手術服血液滲透感染率為(wèi)9％，增強型非織造布手術服為(wèi)5％，而采用聚四氟乙烯微孔薄膜複合的(de)手術服則為(wèi)2％。在舒适性方面，用聚四氟乙烯微孔薄膜複合的(de)手術服穿着時和(hé)普通服裝一(yī)樣舒适。

聚四氟乙烯微孔薄膜的(de)制備

1、PTFE微孔薄膜的(de)前道(dào)工藝

PTFE膜的(de)原料是顆粒狀PTFE樹脂是四氟乙烯的(de)均聚物，其不能采用普通熱塑料成型方法加工。而采用類似粉末冶金的(de)原理(lǐ)加工，例如(rú)懸浮法、分散法即乳液法等聚合方法加工得到。PTFE 樹脂粉料國(guó)外有(yǒu)多家産品，國(guó)內(nèi)也有(yǒu)少量造廠家制造。國(guó)外生産廠商(shāng)以美國(guó)杜邦公司（現在叫科(kē)慕）、日本大金公司等為(wèi)代表。
2、制備過程
      常規制作過程是将聚四氟乙烯分散樹脂與液體助劑混合，通過壓延法将混合物制成薄片，再用機(jī)器雙向拉伸薄片，制得PTFE微孔膜。其工藝流程為(wèi)：PTFE樹脂、助擠劑(選料)一(yī)混合一(yī)壓延一(yī)雙向拉伸一(yī)卷取。
3、制作工藝

基膜的(de)制備：好的(de)基膜必須厚薄均勻，結晶度和(hé)密度合理(lǐ)。基膜的(de)質量直接影響成品的(de)性能指标。制備基膜時，應注意以下幾個因素：
      原料的(de)選擇：PTFE樹脂宜選用分子(zǐ)量較适宜的(de)牌号，其性能可(kě)承受拉伸時高(gāo)溫條件下的(de)高(gāo)速應變而不斷裂；助擠劑選用宜使樹脂濕潤、無毒、沸點高(gāo)、易除去(qù)而無殘留的(de)物質。
      配比：根據所用樹脂及助擠劑牌号，按适當比例進行(xíng)配制，助擠劑一(yī)般範圍在12％～28％之間。
      壓縮比：壓縮比也是影響産品性能指标的(de)重要參數。壓縮比大，縱向纖維化強度高(gāo)，拉伸時不易斷裂，易于連續生産，其産品強度也較大。壓縮比過大，使擠出物太硬，不利于後續工序的(de)正常生産。因此應根據樹脂牌号、設備、生産工藝，合理(lǐ)選用壓縮比。

拉伸溫度和(hé)拉伸率：PTFE 微孔膜成型過程，在國(guó)外以雙向拉伸即延伸的(de)加工方法用得較多。PTFE在常溫到327℃之間均可(kě)被拉伸，即低(dī)于熔點階段的(de)拉伸在高(gāo)彈狀态下進行(xíng)。低(dī)溫下拉伸會使薄膜破裂，導緻拉伸無法進行(xíng)，而高(gāo)于327℃時，PTFE分子(zǐ)間的(de)結晶狀态變化成無定形，不能很好得到網狀結構，故一(yī)般拉伸溫度在40℃～327℃之間。

質子(zǐ)交換膜的(de)概念、特性與前景

     為(wèi)了獲得穩定而廉價的(de)燃料電池，質子(zǐ)交換膜是最大的(de)瓶頸和(hé)未來必須突破的(de)領域。

現有(yǒu)的(de)質子(zǐ)交換膜包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、非氟聚合物膜和(hé)複合膜。目前，全氟磺酸膜已經實現了商(shāng)業化，是最常見的(de)質子(zǐ)交換膜。

最早用于燃料電池的(de)質子(zǐ)交換膜是美國(guó)杜邦公司于60年(nián)代末開發的(de)全氟磺酸質子(zǐ)交換膜（Nafion膜）。當時杜邦公司的(de)PTFE已經是非常穩定的(de)材料，難能可(kě)貴的(de)是杜邦的(de)科(kē)學(xué)家把磺酸根引入了PTFE煉廠，形成聚合物，這也是質子(zǐ)交換膜的(de)發展緣由。現在的(de)質子(zǐ)交換膜都是在這個基礎上發展成為(wèi)各種結構，但末端都是磺酸根結構。

由于全氟磺酸樹脂(PFSA) 分子(zǐ)的(de)主鏈具有(yǒu)聚四氟乙烯結構，分子(zǐ)中的(de)氟原子(zǐ)可(kě)以将碳-碳鏈緊密覆蓋，而碳-氟鍵鍵長(cháng)短(duǎn)、鍵能高(gāo)、可(kě)極化度小，使分子(zǐ)具有(yǒu)優良的(de)熱穩定性、化學(xué)穩定性和(hé)較高(gāo)的(de)力學(xué)強度，從而确保了聚合物膜的(de)長(cháng)使用壽命；分子(zǐ)支鏈上的(de)親水性磺酸基團能夠吸附水分子(zǐ)，具有(yǒu)優良的(de)離(lí)子(zǐ)傳導特性。

目前普通全氟化質子(zǐ)交換膜的(de)生産主要集中在美國(guó)、日本、加拿大和(hé)中國(guó)，主要品牌包括美國(guó)杜邦（Dupont,現在改稱為(wèi)科(kē)慕）的(de)Nafion系列膜、陶氏化學(xué)公司（Dow）的(de)Dow膜 和(hé)Xus -B204膜、3M全氟碳酸膜、日本旭化成株式會社Alciplex、日本旭硝子(zǐ)公司Flemion、日本氯工程公司C系列、加拿大Ballard公司BAM系列膜、比利時Solvay公司 Solvay系列膜、中國(guó)山東東嶽集團 DF988和(hé)DF2801質子(zǐ)交換膜。主要公司與産品如(rú)表2所示：

全氟磺酸膜的(de)優點是：機(jī)械強度高(gāo)，化學(xué)穩定性好、在濕度大的(de)條件下導電率高(gāo)，低(dī)溫時電流密度大，質子(zǐ)傳導電阻小。但是全氟磺酸質子(zǐ)交換膜也存在一(yī)些缺點，如(rú)：

1、制作困難、成本高(gāo)：全氟物質的(de)合成和(hé)磺化都非常困難，而且在成膜過程中的(de)水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，成本較高(gāo)；

2、對溫度和(hé)含水量要求高(gāo)：Nafion系列膜的(de)最佳工作溫度為(wèi)70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低(dī)，導電性迅速下降，阻礙了通過适當提高(gāo)工作溫度來提高(gāo)電極反應速度和(hé)克服催化劑中毒的(de)難題。

3、某些碳氫化合物，如(rú)甲醇等，滲透率較高(gāo)，不适合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的(de)質子(zǐ)交換膜。

針對全氟磺酸型質子(zǐ)交換膜的(de)缺點，研究人員除了對其進行(xíng)複合改性外，還開展了大量非全氟膜的(de)研發工作，比如(rú)部分氟化磺酸型質子(zǐ)交換膜。

加拿大Ballard公司開發的(de)BAM 系列是一(yī)種典型的(de)部分氟化聚苯乙烯質子(zǐ)交換膜，其熱穩定性、化學(xué)穩定性及含水率都獲得大幅提升，綜合性能甚至超過了Nafion117和(hé)Dow膜。同時，其價格相較全氟型膜更低(dī)，在部分情況下已經能替代全氟磺酸膜。但由于聚苯乙烯類分子(zǐ)量較小，機(jī)械強度不足，一(yī)定程度上限制了其廣泛應用。

下圖所示為(wèi)Ballard公司的(de)BAM 膜的(de)化學(xué)結構：

無氟質子(zǐ)交換膜實質上是碳氫聚合物膜，具有(yǒu)加工容易、價格便宜、化學(xué)穩定性好、吸水率高(gāo)等優點。目前開發的(de)無氟質子(zǐ)交換膜材料主要是磺化芳香聚合物，這種磺化芳香聚合物是用功能聚合物磺化法或磺化單體直接聚合法制備而成。另一(yī)種無氟質子(zǐ)交換膜為(wèi)磺化嵌段型離(lí)子(zǐ)共聚物，例如(rú)美國(guó) DAIS 公司研制的(de)磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜，當磺化度為(wèi)超過 50% 時，電導率與Nation 膜幾乎相等；當磺化度大于60% 時，能同時獲得較高(gāo)的(de)電化學(xué)性能與機(jī)械強度，實現二者的(de)平衡。60℃下電池壽命達到2 500h，室溫壽命 4000h，有(yǒu)望在低(dī)溫燃料電池中應用。

為(wèi)了解決全氟磺酸質子(zǐ)交換膜原材料合成難度高(gāo)、制備工藝複雜、成本高(gāo)的(de)問題，研究人員将全氟的(de)非離(lí)子(zǐ)化微孔介質與全氟離(lí)子(zǐ)交換樹脂結合，制成複合質子(zǐ)交換膜。複合型質子(zǐ)交換膜主要包括增強型質子(zǐ)交換膜和(hé)高(gāo)溫質子(zǐ)交換膜 ，如(rú)下表所示：

目前新能源已成為(wèi)國(guó)家非常重視(shì)的(de)戰略發展領域，各大企業、高(gāo)校都在加足馬力進行(xíng)技術攻關。随着人力和(hé)資源的(de)投入，可(kě)以預見燃料電池相關的(de)産業會在不久的(de)将來爆發。目前質子(zǐ)交換膜還屬于一(yī)個新興市(shì)場，國(guó)內(nèi)外均未形成較大的(de)規模。在燃料電池巨大的(de)市(shì)場需求推動下，質子(zǐ)交換膜将成為(wèi)下一(yī)個兵(bīng)家必争之地(dì)！

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