專利名稱：Ptfe薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透氣性改進的薄膜，具體地涉及具有改進的熱穩(wěn)定性的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。
背景PTFE薄膜，尤其是膨脹的PTFE薄膜，廣泛用于制造透氣性的防水織物。然而，很多PTFE薄膜由于與制造工藝相關(guān)的應(yīng)力而造成尺寸不穩(wěn)定，包括美國專利3,315,020(后面稱為“’020專利”)中所描述的那些?！?20專利描述了在拉力下單向或雙軸向拉伸PTFE薄膜，尤其是在高溫下，例如消防衣和很多工業(yè)過濾應(yīng)用所經(jīng)歷的高溫，得到尺寸很不穩(wěn)定的薄膜。
當PTFE薄膜應(yīng)用在包含不同材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)中時，現(xiàn)有的拉伸的PTFE薄膜的尺寸不穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大的問題。這些不同的材料各自顯示出尺寸變化，尺寸變化的程度以比在相同條件下的大部分常規(guī)的PTFE薄膜小的多。在這些情況中，在較高的環(huán)境溫度條件下，含有PTFE薄膜作為復(fù)合結(jié)構(gòu)一部分的產(chǎn)品由于膨脹率和收縮率不同而產(chǎn)生不同層的層間剪切力。在上述條件下所得到的結(jié)果通常是差和/或不合格的產(chǎn)品。此外，不同層的分層會過早地導(dǎo)致產(chǎn)品破壞。
因此，需求尺寸穩(wěn)定性改進的PTFE薄膜。
發(fā)明總結(jié)本發(fā)明涉及改進PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，以及使用本發(fā)明的方法制造的尺寸穩(wěn)定的PTFE薄膜。本文所述的方法減小和/或消除了使用現(xiàn)有方法制造PTFE薄膜所伴隨的松弛應(yīng)力。
部分地，本發(fā)明涉及改進PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法。在某些實施方式中，本發(fā)明包括使PTFE薄膜經(jīng)受高溫，達到一段給定的暴露時間，同時，使PTFE薄膜經(jīng)受高壓，達到一段給定的暴露時間。其中溫度、壓力和暴露時間的組合至少部分地對尺寸穩(wěn)定性有影響。
具體地，本發(fā)明部分地涉及一種影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性，該方法使PTFE薄膜經(jīng)受高溫，持續(xù)一段給定的暴露時間；并同時使PTFE薄膜經(jīng)受高壓，持續(xù)一段給定的暴露時間。在該過程中，所述PTFE薄膜同時經(jīng)受到高溫和高壓，并且溫度、壓力和暴露時間的組合至少部分地對尺寸穩(wěn)定性有影響。
在本發(fā)明的一些實施方案中，所述薄膜升溫到約325℃或更高，在其他實施方案中，薄膜的溫度升高到340℃或更高。典型地，將溫度升高到約325℃以上且低于約400℃，通常是約350℃以上到約360℃以下的溫度，有時是360℃以上到約380℃以下的溫度。
可使用諸如溫度超過約335℃或超過350℃的輥子之類的裝置，將薄膜加熱到高溫，當然也可以使用其他加熱方法。典型地，輥子或其他裝置的溫度比處理過程中所需的PTFE薄膜的峰溫度高至少10℃，更通常至少高約20℃。因此，在一些實施方案中，使用溫度超過約360℃的輥子將薄膜加熱到高溫。
如上所述，所述PTFE薄膜應(yīng)該在高壓下被壓縮的同時被加熱。在本發(fā)明的大部分實施方案中，將所述薄膜加熱到約325℃或更高的溫度，同時在約1磅/平方英寸的壓力下被壓縮。在一些實施方案中，將所述薄膜加熱到至少約325℃的高溫，同時在至少5磅/平方英寸的壓力下被壓縮。在其他實施方案中，將所述薄膜加熱到至少約325℃的高溫，同時在至少20磅/平方英寸的壓力下被壓縮。
將薄膜升至高溫的時間期間因?qū)嵤┓桨付?，但通常小?秒，例如為0.1到1.0秒。在一些實施方案中，高溫的時間期間為0.05到0.5秒。將薄膜經(jīng)受高壓的時間期間因?qū)嵤┓桨付?，但通常小?秒，例如為0.1到1.0秒。在一些實施方案中，高溫的時間期間為0.05到0.5秒。高溫的時間期間不需要與高壓的時間期間一樣。
按照本發(fā)明制造的PTFE薄膜與單向或雙軸向膨脹的未處理的PTFE層壓物相比，尺寸穩(wěn)定性得以提高。在一些實施方案中，縱向的收縮率小于10％，縱向的收縮率通常小于5％。得到的PTFE薄膜通常具有良好的透氣性、空隙度和與制造透氣性織物相關(guān)的其他特性。例如，在某些實施方案中，所述PTFE薄膜在0.7巴時的透氣性至少為4升/分鐘/平方厘米。
本發(fā)明的上述概述并不是描述本發(fā)明討論的各個實施方案。下面的附圖和詳細描述用來描述本發(fā)明討論的各個實施方案。
附圖簡述結(jié)合下面的本發(fā)明的各種實施方案的詳細描述和附圖，可更完整地了解本發(fā)明。


圖1示出了用于形成本發(fā)明的穩(wěn)定的PTFE薄膜的設(shè)備的示意圖。
圖2是出了按照本發(fā)明制造的PTFE薄膜的電子顯微照片。
詳細描述本發(fā)明涉及改進PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，以及使用本發(fā)明的方法制造的尺寸穩(wěn)定的PTFE薄膜。本文所述的方法減小和/或消除了與使用以前已有的方法制造的PTFE薄膜相關(guān)的松弛應(yīng)力。
具體地，本發(fā)明部分地涉及通過使PTFE薄膜經(jīng)受高溫高壓來影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法。可以按照例如美國專利3,953,566；4,187390和4,194,041(納入本文作為參考)的揭示，來制造按照本發(fā)明的方法進行熱處理的薄膜。在本發(fā)明的方法中，所述PTFE薄膜同時受到高溫和高壓，并且溫度、壓力和暴露時間的組合至少部分地對尺寸穩(wěn)定性有影響。
在PTFE聚合時，它以伸長鏈晶體的形式排列，通常的結(jié)晶度約95％，熔點為約344℃。熔融以后，以有序度降低的形式重結(jié)晶，再不能恢復(fù)到原來的高結(jié)晶度。熔點下降到約332℃，熔融熱減小約2/3。正是在第一次熔融后這一不可逆轉(zhuǎn)變的再生性，使得熱穩(wěn)定化的薄膜具有尺寸穩(wěn)定性。
如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使PTFE單向和/或雙軸向原纖化薄膜處于高于晶體熔點的溫度，通常在大氣壓下為約327℃(621)，內(nèi)部形成的應(yīng)力(built-in stress)明顯減小，PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性改善。在一些實施方案中，取決于條件，高于325℃的高溫是適合的，在其它實施方案中，使用高于327℃的溫度，在其它實施方案中，溫度升高到340℃以上。典型地，將溫度升高到至少約320℃且低于約450℃，通常升高到至少約330℃，有時升溫至至少約360℃。所述PTFE薄膜在加熱的同時應(yīng)該被壓縮。在本發(fā)明的大部分實施方案中，將所述薄膜加熱到大于約327℃的高溫，同時在至少約1磅/平方英寸的壓力下壓縮。在某些實施方案中，將所述薄膜加熱到大于約327℃的高溫，同時在至少約5磅/平方英寸的壓力下壓縮。在某些實施方案中，將所述薄膜加熱到大于約327℃的高溫，同時在至少約20磅/平方英寸的壓力下壓縮。
將薄膜升至高溫的時間期間因?qū)嵤┓桨付?，但通常小于約1秒，例如為0.1到1.0秒。在一些實施方案中，高溫的時間期間為0.05到0.5秒。在某些實施方案中，所述時間期間小于0.5秒，小于0.1秒，或甚至小于0.01秒。
可使用溫度超過340℃的輥子將薄膜加熱到高溫，當然也可以使用其他加熱方法。典型地，輥子的溫度比加工過程中所需的PTFE薄膜的峰溫度至少高10℃，更通常至少高約20℃。
暴露于熱和壓力后，得到的PTFE薄膜通常具有良好的透氣性、孔隙度和與制造透氣性織物(例如透氣性的多層織物)相關(guān)的其他特性。例如，在某些實施方案中，所述被處理的PTFE薄膜在0.7巴時的透氣性至少為4升/分鐘/平方厘米。此外，在一些實施方案中，所述PTFE薄膜的庫爾特氣孔度(Coulter Porometer)至少為0.10MFP，更有利的是至少0.20MFP，最有利的是至少為0.25MFP。
所得到的PTFE薄膜具有很多適合的用途，包括在層壓物中例如用于布料。外套和消防衣是利用了由尺寸穩(wěn)定的PTFE制造的層壓物的衣服的例子。所得到的PTFE還適合過濾，例如空氣或氣體過濾、液體過濾和化學(xué)濾餅過濾。
按照本發(fā)明的方法處理的PTFE薄膜與單向或雙軸向膨脹的未處理的PTFE層壓物相比，尺寸穩(wěn)定性提高。在一些實施方案中，縱向的收縮率小于10％，縱向的收縮率通常小于5％。
與將PTFE薄膜加熱到高溫相關(guān)的一個問題是可能發(fā)生薄膜收縮，導(dǎo)致尺寸減小。以下所述的方法可以使尺寸不穩(wěn)定性最小化，同時增加韌性。調(diào)節(jié)溫度、壓力和加熱持續(xù)的時間，來得到所需的尺寸穩(wěn)定化的PTFE薄膜。在本發(fā)明的某些實施方案中，所述方法包括使用傳動熱鋼輥(driven heated steel roll)、橡膠展平輥(rubber nip roll)和與橡膠展平輥匹配的從動輥(idle roll)。
以下的加工范圍確立了在該一般實施方案中處理加工中的每個變量的優(yōu)選設(shè)定。首先，對于溫度，推薦的加熱溫度通常大于約340℃，且通常小于400℃。然而，有用的范圍延伸到該值之外。在大部分實施方案中，所述溫度范圍為約350℃到390℃，通常為約360℃到380℃。如上所述，需要將PTFE薄膜的溫度升高至PTFE的晶體熔點或晶體熔點之上，所述PTFE的晶體熔點為約327℃，這可以通過使用327℃或更高溫度的熱輥來實現(xiàn)。PTFE薄膜與熱輥的接觸時，接觸時間越長，所需要的熱輥溫度越低(一般而言)。
將所述薄膜保持在高溫下的持續(xù)時間通常很短暫，典型地為十分之一秒、或甚至小于千分之一秒，取決于被加熱的鋼輥的溫度。對于一些實施方案，010到1.0秒的持續(xù)時間是合適的，而對于大部分的實施方案，0.05-0.50秒的持續(xù)時間是合適的，盡管在一些情形下更長或更短的持續(xù)時間也是滿足需要的。
PTFE薄膜所要經(jīng)受的壓力保持在通常至少為1磅/平方英寸(PSI)，更典型地為大于5PSI，最典型地為大于20PSI。將所述薄膜保持在高壓下的持續(xù)時間通常與保持在高溫下的持續(xù)時間相同。
按照一般的方法，將制備好的卷狀的PTFE薄膜的延伸的一段夾在兩個表面之間，其中至少一個表面被加熱到高溫。通常，如通常所知的一樣，所述PTFE薄膜被夾在兩個圓筒或輥之間。可以加熱一個輥或兩個輥。
參看圖1，示出了一段PTFE膜繞在芯15上。加工裝置包括從動輥20、輥30與40之間形成的間隙、和第二從動輥50。圖1還示出了一段尺寸穩(wěn)定化的PTFE膜繞在芯65上。
在第一實施例中，將雙軸向拉伸的PTFE薄膜(例如芯15上的PTFE10)的延伸的一段放置在展平輥(例如輥30)的一側(cè)上，其余的放在從動輥(例如20)和展平輥(例如30)上。所述PTFE薄膜10繞著展平輥30逆行，至正好與薄膜卷10/15所放置的位置相反的位置。接收輥，例如芯65，位于那側(cè)的展平輥30和從動輥(例如第二從動輥50)之間。一旦薄膜10繞著展平輥30已經(jīng)成形，就降低展平輥30，直至它與第二輥(例如輥40)接觸，所述第二輥可以是旋轉(zhuǎn)的熱鋼輥。一旦接觸，展平輥30帶著薄膜10在被加熱的鋼輥40上，使薄膜10受到加熱，并限制其移動，同時受擠壓。當在展平輥30和鋼輥40之間被擠壓時，薄膜10經(jīng)歷高于結(jié)晶溫度的溫度，形成定型的或穩(wěn)定化的PTFE。
以下的實施例示出了標準膨脹的PTFE薄膜(購自唐納森公司，名稱為Tetratex TX2203)、與按照本發(fā)明被加熱處理后的同樣的薄膜的測試結(jié)果比較。
使用圖1所示的設(shè)備結(jié)構(gòu)，將標準的膨脹的PTFE薄膜加熱到327℃以上，同時在至少20磅/平方英寸的壓力下受壓。
表1
如上面的表1所示，按照本發(fā)明處理后的經(jīng)受熱和壓力處理過的薄膜，具有非常小的縱向和橫向收縮率。此外，盡管透氣性有一些減小，但是熱和壓力處理過的薄膜在透氣性和孔分布性方面仍然具有較高的值。
圖2示出了按照本發(fā)明制造的PTFE薄膜的兩張掃描電子顯微照片，兩張顯微照片在不同的照明條件下拍攝。
下面的表2示出了用與上面相同的方式處理的經(jīng)受熱和壓力處理過的薄膜的其它實施例。
應(yīng)理解本發(fā)明不限于上述的具體實施例，而是應(yīng)當明白權(quán)利要求書所述的范圍覆蓋了本發(fā)明的所有方面。本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明的說明書后，可以對本發(fā)明進行各種修改、使用等價的方法以及本發(fā)明可以應(yīng)用的很多結(jié)構(gòu)。
表權(quán)利要求
1.一種影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，所述方法包括a)使PTFE薄膜經(jīng)受比PTFE薄膜的熔點高的高溫，達到一段給定的暴露時間，并b)使PTFE薄膜經(jīng)受高壓，達到一段給定的暴露時間，其中所述PTFE薄膜同時經(jīng)受高溫和高壓，溫度、壓力和暴露時間的組合至少部分地對尺寸穩(wěn)定性有影響。
2.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜升溫至大于約327℃的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜升溫至大于約340℃的溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜升溫至大于約325℃且小于約400℃的溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜升溫至大于約350℃且小于約360℃的溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜升溫至大于約360℃且小于約380℃的溫度。
7.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜升溫至大于約325℃且小于約400℃的溫度。
8.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，使用溫度超過約340℃的輥子將所述薄膜加熱至高溫。
9.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，使用溫度超過約360℃的輥子將所述薄膜加熱至高溫。
10.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜加熱至大于約327℃的高溫，同時在至少約1磅/平方英寸的壓力下被壓縮。
11.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜加熱至大于約327℃的高溫，同時在至少約5磅/平方英寸的壓力下被壓縮。
12.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，將所述薄膜加熱至大于約327℃的高溫，同時在至少約20磅/平方英寸的壓力下被壓縮。
13.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述給定的暴露時間為0.1-1秒。
14.如權(quán)利要求1所述的影響PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述給定的暴露時間為0.05-0.5秒。
15.使用權(quán)利要求1的方法制造的PTFE薄膜。
16.如權(quán)利要求15所述的PTFE薄膜，其特征在于，所述PTFE薄膜在0.7巴時的透氣性至少為4升/分鐘/平方厘米。
17.如權(quán)利要求15所述的PTFE薄膜，其特征在于，所述PTFE薄膜的庫爾特氣孔度至少為0.25MFP。
18.如權(quán)利要求15所述的PTFE薄膜，其特征在于，所述PTFE薄膜的縱向收縮率小于10％。
19.如權(quán)利要求15所述的PTFE薄膜，其特征在于，所述PTFE薄膜的縱向收縮率小于5％。
20.一種處理PTFE薄膜的方法，所述方法包括以下步驟a)提供至少已經(jīng)單向取向的取向PTFE薄膜；b)使所述PTFE薄膜同時經(jīng)受至少340℃的溫度達短于1秒的時間段和至少1磅/平方英寸的壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過對PTFE薄膜施加高壓來提高PTFE薄膜的尺寸穩(wěn)定性的方法。所述方法減小和/或消除了使用現(xiàn)有方法制造PTFE薄膜通常伴隨的松弛應(yīng)力。
文檔編號B01D67/00GK101065424SQ200580040218
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者K·帕特爾 申請人:唐納森公司