Двухосноориентированные мембраны и плёнки из фторопласта-4 и СВМПЭ

На нашем предприятии разработана твердофазная технология получения супертонких двухосноориентированных пленок из «неплавких» полимеров, таких как фторопласт (Ф-4) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Как известно, существующие технологии получения тонких двухосноориентированных пленок путем поперечного растяжения продольно-ориентированных пленок специальными захватами или через расходящуюся прижимную раму с цепной передачей неэффективна из-за многочисленных разрывов пленок. Широко применяющийся метод получения двухосноориентированных пленок методом раздува расплава рукава применяется для плавких полимеров. Поэтому актуальность данной задачи получения высокотехнологичных, двухосноориентируемых пленок из неплавких полимеров и композитов на их основе, для критически важных задач не вызывают сомнений и теперь такие пленки доступны и в широком формате!

Разработанная технология позволяет получать два вида двухосноориентированных пленок: пористых и беспористых.

Получение пористых двухосноориентированных пленок — мембран

Пористые двухосноориентированные пленки получаются продольной вытяжкой предварительно поперечно ориентированной пленки. Поперечная ориентация пленки осуществляется пакетной вытяжкой под давлением. Для осуществления такой вытяжки была специально сконструирована камера высокого давления и разработана эффективная технология позволяющая осуществить такой процесс. При этом получается беспористая пленка, ориентированная только в поперечном направлении. Беспористость гарантируется тем, что процесс ориентации осуществляется под давлением, не позволяющем образовывать дефекты при осевом деформировании. Внешне это проявляется тем, что пленки получаются прозрачными даже при больших степенях вытяжки. Для наглядности на Фото приведен образец, вытянутый без давления (вверху) и под давлением (внизу). Прозрачность шейки образца, вытянутого под давлением, свидетельствует о залечивании дефектов при деформировании, а без давления образуются “трещины серебра”, рассеивающие свет.

Теперь беспористую пленку с поперечной деформацией достаточно вытянуть даже с небольшой степенью вытяжки чтобы получить пористую высококачественную пленку -мембрану с равномерным распределением пор. Величина пор зависит от величины степени вытяжки. Таким методом мы получаем тонкие пленки - сепараторы для аккумуляторных батарей, пористые мембраны, пропускающие водяной пар и задерживающие жидкости, фильтрационные мембраны для ультрафильтрации высокоагрессивных жидкостей и газов.

Фото. Вытяжка поперечно ориентированной пленки (беспористая, левая часть) и образование пористой пленки-мембраны (правая часть))

Фото структуры правой (пористой) части пленки Ф-4.

Аналогичная технология применяется и для получения пористых пленок и мембран из СВМПЭ.

Применение

Радиопрозрачные конструкции

Антенны, радомы, диэлектрические окна: благодаря низкой диэлектрической проницаемости (ε ≈ 1.8–2.1) и малым потерям (tan δ <0.001), особенно у Ф-4.

Композиты с пониженной ε и tan δ: комбинирование с тонкими стеклотканями или арамидными сетками для усиления без значительного ухудшения радиопрозрачности.
Фильтрация в агрессивных средах

Химически стойкие мембраны для газов и жидкостей (Ф-4 устойчив даже к концентрированным кислотам и щелочам).

Антистатические фильтры — при добавлении проводящих наполнителей (углеродные волокна, нанотрубки) для применения в шахтах, нефтегазовой отрасли и на взрывоопасных производствах.
Медицинские и биотехнологические применения

Имплантаты и протезы (особенно ePTFE): пористая структура способствует колонизации клеток.

Мембраны для диализа, вентиляции и стерилизующей фильтрации — за счет открытой пористости и биосовместимости.
Защитные мембраны и функциональная одежда

Гидрофобные/паропроницаемые мембраны (аналог GORE-TEX): двухосная ориентация позволяет формировать микропоры, пропускающие пар, но блокирующие капельную влагу.

Химзащитная одежда — особенно на основе Ф-4.
Энергетика и электроника

Сепараторы в аккумуляторах и топливных элементах (СВМПЭ — за счёт высокой прочности и пористости; Ф-4 — в высокотемпературных системах).

Диэлектрические слои в высокочастотной электронике.
Строительство и архитектура

Мембраны для вентилируемых фасадов, где требуется одновременно защита от влаги и воздухообмен.

Тентовые покрытия — особенно на основе армированного ePTFE (пример: стадионы, аэропорты).
Специальные композиты

Легкие радиопрозрачные панели: пористая пленка + эпоксидная смола + армирующий каркас (например, стеклоткань или Dyneema®).

Поглотители СВЧ: при введении углеродных наполнителей в пористую матрицу.

Получение беспористых двухосноориентированных пленок

Беспористые двухосноориентированные пленки получаются также как и пористые пленки по двухстадийной технологии. В начале неориентированную пленку подвергают прокатке с заданной степенью вытяжки. Таким образом получают пленку с продольной ориентацией. Затем осуществляется вытяжка в поперечном направлении, но под давлением. Как правило вытяжка под давлением осуществляется с большими степенями вытяжки чем на воздухе. В результате получаем бездефектную широкую двухосноориентированную пленку. Ширина пленки зависит от степени поперечной вытяжки и может быть в 3-5 раз больше первоначальной ширины. Отличительной особенностью таких пленок является прозрачность (пропускает свет после деформирования). (См. Фото). Таким методом можно получать и супертонкие пленки в 5-10 раз тоньше чем исходная пленка (на прокатке толщина пленки уменьшается в 2-3 раза и при поперечной вытяжке под давлением в 2-3.5 раза). Беспористые пленки не пропускают газы, пары или жидкости, но зато обеспечивают:

максимальную механическую прочность
стабильность диэлектрических характеристик
полную химическую и влагозащиту

Фото двухосноориентированной беспористой пленки Ф-4, полученной вытяжкой под гидростатическим давлением.

Обращает на себя внимание удивительная прозрачность пленки, свидетельствующая о пропускании света без отражения, что имеет место у пористой пленки.

Применение

Высокочастотная электроника и радиотехника

Диэлектрические подложки для печатных плат СВЧ- и миллиметрового диапазонов (особенно Ф-4): благодаря крайне низкой диэлектрической проницаемости (ε ≈ 2.0–2.1) и малым потерям (tan δ <0.0005).

Изоляция коаксиальных кабелей и волноводов, где важна стабильность свойств при температурных и частотных изменениях.
Барьерные и защитные покрытия

Химически инертные защитные слои в агрессивных средах (Ф-4 устойчив к почти всем химреагентам; СВМПЭ — к щелочам и многим растворителям).

Гидрофобные, непроницаемые мембраны для герметизации чувствительных узлов (например, в датчиках, оптике, микроэлектронике). Для перекачки высоко агрессивных жидкостей и газов.
Оптика и фотоника

Инфракрасные окна и линзы (Ф-4 прозрачен в ИК-диапазоне до ~20 мкм).

Антиадгезионные покрытия для оптических поверхностей, предотвращающие налипание пыли или конденсата.
Медицинские устройства (ограниченно)

Имплантационная изоляция для электродов или сенсоров, где требуется полная герметичность и биосовместимость (Ф-4 одобрен FDA).

Упаковка для стерилизуемых изделий, где необходима абсолютная барьерность при сохранении радиопрозрачности (для контроля через рентген/СВЧ).
Промышленные компоненты

Ленты и разделительные слои в процессах горячего формования или прессования (высокая термостойкость Ф-4 до 260 °C).

Износостойкие скользящие элементы: двухосная ориентация повышает прочность и сопротивление истиранию (особенно у СВМПЭ).
Композитные материалы

Тонкие интерфейсные слои между армирующими тканями и матрицей в радиопрозрачных композитах — безпористость предотвращает неконтролируемое впитывание смолы.

Защитные покрытия для арамидных или стеклянных тканей, улучшающие влагостойкость без ущерба для радиопрозрачности.

Важное отличие от пористых аналогов:

Безпористые пленки не пропускают газы, пары или жидкости, но зато обеспечивают:

максимальную механическую прочность
стабильность диэлектрических характеристик
полную химическую и влагозащиту