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連續(xù)法大氣壓低溫等離子體聚四氟乙烯表面處理清潔生產(chǎn)技術(shù)

2010年我國(guó)含氟聚合物產(chǎn)能約8萬(wàn)多噸，占世界總產(chǎn)能的三分之一，產(chǎn)量近6萬(wàn)噸，其中PTFE約占80%，已成為世界第二大生產(chǎn)國(guó)。根據(jù)國(guó)家氟化工十二五規(guī)劃，到2015年我國(guó)含氟聚合物產(chǎn)能將達(dá)到13.4萬(wàn)噸，產(chǎn)量達(dá)到9.4萬(wàn)噸，其中PTFE約占70%。隨著戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的興起，PTFE應(yīng)用范圍已經(jīng)從傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)保、生物醫(yī)藥、新能源、電子信息等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。如在環(huán)保領(lǐng)域，PTFE膜接觸器應(yīng)用于煙道氣處理；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，PTFE中空纖維管用作血漿過(guò)濾器；在新能源領(lǐng)域，PTFE用作鋰電池隔膜和太陽(yáng)能電池背板；在電子信息領(lǐng)域，PTFE用作駐極體材料。而這些應(yīng)用，無(wú)一不涉及到對(duì)PTFE的表面處理。傳統(tǒng)的濕化學(xué)法已經(jīng)不能適應(yīng)，正如氟化工十二五規(guī)劃中所述：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，中低端產(chǎn)品為主，高端產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口；應(yīng)用開(kāi)發(fā)不力，加工技術(shù)和設(shè)備落后。大氣壓低溫等離子體材料表面改性是一種新型的表面改性方法，這種方法可以有效地改善材料表面性能，且憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使其具有其它傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)值得深入研究的有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)。本項(xiàng)目采用大氣壓低溫等離子體改性PTFE材料，替代傳統(tǒng)的濕法化學(xué)處理方法，從而提高其表面的粘接性、吸濕性、可染色性、及生物相容性等性能，開(kāi)發(fā)出適合對(duì)PTFE表面處理的高放電均勻性、高放電電離效率和大面積的均勻等離子體在線清潔處理技術(shù)，從而達(dá)到對(duì)PTFE表面改性的有效調(diào)控，取代傳統(tǒng)的化學(xué)表面處理方法，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和PTFE在新興行業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)于提升PTFE產(chǎn)品檔次，促進(jìn)PTFE在新興行業(yè)的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目所采用的常壓低溫等離子體設(shè)備為大面積、均勻連續(xù)處理設(shè)備，如圖所示，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻DBD模式運(yùn)行，配合上收卷、送卷，臭氧抽氣等裝置，可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)運(yùn)行。目前已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)電極長(zhǎng)度為1.5米的的大面積放電，如圖(a)所示，將進(jìn)一步結(jié)合在線處理要求，深入研究等離子在線處理工藝，開(kāi)發(fā)如圖(b)所示的在線處理樣機(jī)。處理寬度0.5m，處理速度1-5m/min可調(diào)；處理厚度0.05-0.5mm；處理后PTFE表面水接觸角不大于50°；PTFE表面微觀形貌：表面刻蝕程度均勻。技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新性針對(duì)目前PTFE表面處理中采用的濕法化學(xué)處理方法安全性、環(huán)保性、節(jié)能性差的缺點(diǎn)，采用大氣壓低溫等離子表面處理技術(shù)，通過(guò)研究放電參數(shù)、處理結(jié)構(gòu)及處理氣體對(duì)PTFE表面改性影響的規(guī)律，獲取最優(yōu)改性處理?xiàng)l件，找到最適合取代化學(xué)處理方法的PTFE表面狀態(tài)；通過(guò)研究在PTFE表面接枝不同的分子鏈，使其表面產(chǎn)生新的分子結(jié)構(gòu)和新的功能，解決表面處理后老化效應(yīng)等問(wèn)題；開(kāi)發(fā)新型的DBD等離子體處理樣機(jī)，提高等離子體大面積處理均勻性；實(shí)現(xiàn)對(duì)PTFE表面處理的在線連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、清潔性和安全性。同時(shí)為低溫等離子體材料表面改性的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供實(shí)踐。研發(fā)出適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的PTFE表面處理新技術(shù)和新設(shè)備，從而提高其表面的粘接性、吸濕性、可染色性、及生物相容性等性能，而且改性只涉及表面納米級(jí)別范圍內(nèi)，基體性能不受影響，對(duì)于提升PTFE產(chǎn)品檔次，促進(jìn)PTFE在新興行業(yè)的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。 ●應(yīng)用前景：以聚四氟乙烯復(fù)合膠帶為例，該產(chǎn)品是采用PTFE乳液浸漬玻璃纖維基布，生產(chǎn)出聚四氟乙烯漆布，再進(jìn)行單面表面處理后，涂上一層有機(jī)硅膠粘劑。該產(chǎn)品表面光滑，有著良好的抗粘性，耐化學(xué)腐蝕和耐高溫性以及優(yōu)秀的絕緣性能，并具有反復(fù)粘貼功能，廣泛應(yīng)用于在造紙、食品、環(huán)保、印染、服裝、化工、玻璃、醫(yī)藥、電子、絕緣、砂輪切片、機(jī)械等領(lǐng)域，還可應(yīng)用于漿紗機(jī)的滾筒、熱塑脫模等行業(yè)。該產(chǎn)品預(yù)計(jì)全國(guó)年用量達(dá)1000多萬(wàn)㎡。再以太陽(yáng)能電池組件背板為例，其主流產(chǎn)品是TPT。該產(chǎn)品是由上下兩層PVF（聚氟乙烯）和PET（聚對(duì)苯二甲酸二乙酯俗稱滌綸）薄膜三層復(fù)合而成。該產(chǎn)品的生產(chǎn)就涉及到對(duì)PVF的表面處理。相對(duì)于PTFE來(lái)說(shuō)，PVF的表面處理就比較容易。據(jù)統(tǒng)計(jì)1兆瓦組件需要8800-10000平方米的背膜,2007年我國(guó)組件量為1717兆瓦,消耗各種背膜1500-1700萬(wàn)平方米,全部依賴進(jìn)口。據(jù)《2008年中國(guó)光伏太陽(yáng)能行業(yè)研究與投資前景分析報(bào)告》預(yù)測(cè)，2008年世界組件量為將上升40%，約為5600兆瓦，我國(guó)組件量約為2400兆瓦，需要背膜約1900-2400萬(wàn)平方米，PVF表面處理量達(dá)3800-4800萬(wàn)平方米。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究大多實(shí)驗(yàn)室階段，國(guó)外一些知名的大公司，如道康寧、3M以及德國(guó)的一些公司，也正致力于該技術(shù)研究。從目前報(bào)道資料情況上看，國(guó)外僅道康寧公司有應(yīng)用報(bào)道，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)產(chǎn)品推出。因此技術(shù)屬于自主創(chuàng)新技術(shù)，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。本技術(shù)具有應(yīng)用的普遍性，不但可用于PTFE的表面處理，更可用于其它氟樹(shù)脂和難粘高分子材料的表面處理，具有廣闊的市場(chǎng)前景。本技術(shù)還可以推廣到其他高分子材料處理領(lǐng)域，以及保護(hù)性包裝、生物材料處理、薄膜沉積、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域，在提高材料表面性能，開(kāi)創(chuàng)材料新的應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

南京工業(yè)大學(xué) 2021-01-12

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