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連續法大氣壓低溫等離子體聚四氟乙烯表面處理清潔生產技術

2010年我國含氟聚合物產能約8萬多噸，占世界總產能的三分之一，產量近6萬噸，其中PTFE約占80%，已成為世界第二大生產國。根據國家氟化工十二五規劃，到2015年我國含氟聚合物產能將達到13.4萬噸，產量達到9.4萬噸，其中PTFE約占70%。隨著戰略性新興產業的興起，PTFE應用范圍已經從傳統領域擴展到環保、生物醫藥、新能源、電子信息等新興產業領域。如在環保領域，PTFE膜接觸器應用于煙道氣處理；在生物醫藥領域，PTFE中空纖維管用作血漿過濾器；在新能源領域，PTFE用作鋰電池隔膜和太陽能電池背板；在電子信息領域，PTFE用作駐極體材料。而這些應用，無一不涉及到對PTFE的表面處理。傳統的濕化學法已經不能適應，正如氟化工十二五規劃中所述：產品結構不合理，中低端產品為主，高端產品仍然依賴進口；應用開發不力，加工技術和設備落后。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，且憑借其獨特的優點使其具有其它傳統方法不可比擬的優勢，是一項值得深入研究的有廣闊應用前景的技術。本項目采用大氣壓低溫等離子體改性PTFE材料，替代傳統的濕法化學處理方法，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，開發出適合對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，從而達到對PTFE表面改性的有效調控，取代傳統的化學表面處理方法，推動相關產業的技術進步和PTFE在新興行業中的應用，對于提升PTFE產品檔次，促進PTFE在新興行業的應用具有現實意義。本項目所采用的常壓低溫等離子體設備為大面積、均勻連續處理設備，如圖所示，可以實現穩定均勻DBD模式運行，配合上收卷、送卷，臭氧抽氣等裝置，可實現在線連續運行。目前已在實驗室實現電極長度為1.5米的的大面積放電，如圖(a)所示，將進一步結合在線處理要求，深入研究等離子在線處理工藝，開發如圖(b)所示的在線處理樣機。處理寬度0.5m，處理速度1-5m/min可調；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。技術特點及創新性針對目前PTFE表面處理中采用的濕法化學處理方法安全性、環保性、節能性差的缺點，采用大氣壓低溫等離子表面處理技術，通過研究放電參數、處理結構及處理氣體對PTFE表面改性影響的規律，獲取最優改性處理條件，找到最適合取代化學處理方法的PTFE表面狀態；通過研究在PTFE表面接枝不同的分子鏈，使其表面產生新的分子結構和新的功能，解決表面處理后老化效應等問題；開發新型的DBD等離子體處理樣機，提高等離子體大面積處理均勻性；實現對PTFE表面處理的在線連續性、經濟性、清潔性和安全性。同時為低溫等離子體材料表面改性的大規模工業應用提供實踐。研發出適應工業化生產的PTFE表面處理新技術和新設備，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別范圍內，基體性能不受影響，對于提升PTFE產品檔次，促進PTFE在新興行業的應用具有現實意義。 ●應用前景：以聚四氟乙烯復合膠帶為例，該產品是采用PTFE乳液浸漬玻璃纖維基布，生產出聚四氟乙烯漆布，再進行單面表面處理后，涂上一層有機硅膠粘劑。該產品表面光滑，有著良好的抗粘性，耐化學腐蝕和耐高溫性以及優秀的絕緣性能，并具有反復粘貼功能，廣泛應用于在造紙、食品、環保、印染、服裝、化工、玻璃、醫藥、電子、絕緣、砂輪切片、機械等領域，還可應用于漿紗機的滾筒、熱塑脫模等行業。該產品預計全國年用量達1000多萬㎡。再以太陽能電池組件背板為例，其主流產品是TPT。該產品是由上下兩層PVF（聚氟乙烯）和PET（聚對苯二甲酸二乙酯俗稱滌綸）薄膜三層復合而成。該產品的生產就涉及到對PVF的表面處理。相對于PTFE來說，PVF的表面處理就比較容易。據統計1兆瓦組件需要8800-10000平方米的背膜,2007年我國組件量為1717兆瓦,消耗各種背膜1500-1700萬平方米,全部依賴進口。據《2008年中國光伏太陽能行業研究與投資前景分析報告》預測，2008年世界組件量為將上升40%，約為5600兆瓦，我國組件量約為2400兆瓦，需要背膜約1900-2400萬平方米，PVF表面處理量達3800-4800萬平方米。目前，國內外相關研究大多實驗室階段，國外一些知名的大公司，如道康寧、3M以及德國的一些公司，也正致力于該技術研究。從目前報道資料情況上看，國外僅道康寧公司有應用報道，國內尚無相關產品推出。因此技術屬于自主創新技術，將填補國內空白，達到國際先進水平。本技術具有應用的普遍性，不但可用于PTFE的表面處理，更可用于其它氟樹脂和難粘高分子材料的表面處理，具有廣闊的市場前景。本技術還可以推廣到其他高分子材料處理領域，以及保護性包裝、生物材料處理、薄膜沉積、生物醫學應用等領域，在提高材料表面性能，開創材料新的應用領域方面發揮著至關重要的作用。

南京工業大學 2021-01-12

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