一、應用概述:
核孔膜是一種性能優異的精密過濾材料,廣泛應用于科技和民生領域。清華大學核能與新能源技術研究院是我國核孔膜事業的奠基人和開拓者。技術的不斷創新使清華大學核研院擁有了數十項技術和高新產品,應用于醫療、制藥、環保、食品等領域。如在電子工業中,用于制備超純水、光刻膠以及工藝和環境氣體凈化;在制藥工業中,用于各種注射針劑中微粒和細菌的去除;在化學工業中,用于制備超純試劑,回收溶劑中貴重的懸浮物、觸媒;在生物工程中,用于微生物的分離和純化;在環境工程中,用于大氣和水取樣,測定顆粒和微生物的含量、粒度分布、成分;在醫療中,用于檢測體液中的癌細胞,進行血液過濾等。核孔膜作為終端精密藥液過濾材料,在靜脈大輸液中是藥液進入人體的一道衛士,服務于協和醫院、北京阜外醫院、中國人民解放軍總醫院(北京301醫院)、廣州人民醫院等國內百余所醫院。在安全識別領域,核孔膜為眾多500強企業的品牌防偽保駕護航,如芝華士、施耐德、清華同方、TCL等。
核孔膜新科研成果呼吸膜, 即功能核孔膜在氣體輸運及氣溶膠污染物防護中的獨特性質為核孔膜在防霾呼吸窗和防霾口罩的應用中展示了良好的應用前景。核孔膜已走出神秘的原子能實驗室,進入尋常百姓生活,為提高人們生活質量、提供高品質健康生活發揮著日益重要的作用。
二、核孔膜簡介:
核孔膜是由重帶電粒子在絕緣物質上打孔和化學蝕刻擴孔而成。當重帶電粒子在絕緣物質薄膜中的可蝕刻射程大于薄膜厚度時,在每個垂直入射的重帶電粒子路徑上產生的輻射損傷,可用化學方法優先蝕刻,形成穿透絕緣薄膜的比值通道(微孔)。具有一個或多個這種穿透性微孔的絕緣薄膜稱為核孔膜。制造核孔膜的重帶電粒子分兩類:一種是重離子加速器產生的重帶電粒子束,另一種是裂變碎片,它可由放在核反應堆中子束上的裂變靶產生。圖2為核孔膜和曲孔膜的電鏡照片。
三、核孔膜的主要特點
孔徑、孔密度和孔長是核孔膜的基本參數。
重帶電粒子在絕緣物質中產生的輻射損傷區域具有一定穿透性,直徑為3至5nm,是核孔膜孔徑的下限 ??刂莆g刻時間,孔徑可從這一值擴大到幾十微米。
核孔膜的孔密度等于垂直照射在單位面積絕緣薄膜上的重帶電粒子數目??刂拼蛟诒∧ど系闹仉x子流量,可以獲得預定孔密度的核孔膜。核孔膜的孔密度的可變范圍從每片核孔膜上(幾平方厘米)只有一個微孔至1012/cm2。這一上限由輻射損傷區域的直徑決定。
核孔膜的孔長或核孔膜能達到的厚度與材料種類、重帶電粒子核素種類和能量有關,重帶電粒子在材料中的可蝕刻射程是用這種重帶電粒子和材料制造的核孔膜厚度的上限。由于裂變碎片能量低(~0.7MeV/u),所以用裂變碎片制作的核孔膜的厚度上限是10微米。重離子加速器產生的重帶電粒子能量較高,可以制作較厚(幾十微米或更厚)的核孔膜。一般來說,厚度從5微米至幾十微米的核孔膜,在過濾液體或氣體時,既具有較大機械強度,又具有較大流速,是核孔膜厚度的較佳范圍。
核孔膜具有獨特的物理、化學和生物性能。表1為核孔膜(PC,PET)的特性。
1) 精確、均一的孔徑和孔密度
由于核孔膜的生產是由產生輻射損傷(徑跡)和化學蝕刻兩部分完成,產生徑跡的多少決定了孔密度,化學蝕刻的強度決定了孔徑,這和其它膜的生產方法不同,因而孔徑和孔密度可以根據需要,獨立、精確地控制。
濾膜的分離效率是微孔濾膜較重要的性能參數。該參數受控于膜的孔徑和孔分布。只有達到孔徑的高度均勻,濾膜的過濾效率才能達到高度精確。加速器生產的核孔膜的微孔,孔徑均一、孔形規則,能100%截留大于孔徑的微粒。
2) 圓柱狀或單錐狀的微孔結構
由于核孔膜具有這種微孔結構,在過濾時,所有大于孔徑的粒子都被截留在膜的表面,使粒子的清洗變的異常容易,為過濾中的反沖洗和錯流過濾技術的應用打下了良好的基礎。采用錯流過濾技術可以十分有效地控制濃差極化和濾餅堆積,因此長時間操作仍可保證較高的通量。
3) 膜表面平整、光滑
膜表面平整、光滑、透明,為利用光學和電子顯微鏡進行粒子分析提供了一種理想材料。
4) 過濾速度大
核孔膜的孔隙率小,但其厚度也小,補償了由于低孔隙率引起的濾速下降。表2是核孔膜與常見微孔濾膜的流速比較。
5) 高的機械強度和柔性
6) 不吸附、無纖維脫落
核孔膜微孔比面積小,只有纖維素膜的三十分之一,因而吸附能力很低,對過濾一些價格高的藥液或少量貴重液體來說,由于液體被過濾介質吸附而造成的損失將非常少。核孔膜的材料為高分子聚合物,不會有任何可能遷移的物質到濾液中,因而不會以外部摻合劑的方式污染濾液。
7) 化學穩定性好
可以耐酸和絕大部分有機溶劑的侵蝕,特別是PET膜,它幾乎可以耐烴、醇、醚、酸、酯、鹵代烴等絕大部分有機溶劑,是聚四氟乙烯微孔膜的良好替代物。
8) 生物惰性好
PC和PET核孔膜對微生物是惰性的,既不受微生物的侵蝕,又由于可溶性物質極微,因而一方面可以長期在潮濕環境下工作,另一方面對生物是相當安全的。PC膜在美國通過UPS Ⅵ級和生化等實驗,證明對生物無毒,在注射中使用安全,沒有不自然的刺激生成。我國華北制藥廠曾對PET進行了小白鼠急性毒性試驗,家兔皮內反應試驗和溶血試驗,均表明PET對生物無不良反應。
9) 熱穩定性好
PET膜可經受150℃,短期可經受175℃,因而可以把膜安裝在過濾器中反復進行熱壓消毒而不破裂和變形。
綜上所述,核孔膜以其獨特的物理、化學和生物性質、優異的液體過濾性能(近乎100%的截留率、高的液體過濾速度和能應用錯流過濾技術控制濃差極化和濾餅堆積來保證長時間高通量操作)、氣體過濾性能(極高的氣溶膠污染物阻隔效率和氣體透過率)和大規??焖俚纳a能力,使其成為液體凈化和氣體凈化領域較為理想的精密過濾材料。