PTFE微孔薄膜对气体的阻隔机制

  对于不同结构的薄膜，气体通过膜的传递扩散方式不同，透过机理也各异。气体透过薄膜机理有两种：一是通过非多孔膜的溶解-扩散机理；二是通过多孔膜的微孔扩散机理，多孔介质中气体传递机理包括努森扩散、黏性流动、表面扩散流动、分子筛分、毛细管凝聚等。由于多孔及孔内表面性质的差异使得气体分子与多孔介质之间的相互作用程度有所不同，从而表现出不同的传递特征。

  PTFE属多孔膜，膜结构参数和透过气体的性质决定了气体的透过性能，膜结构参数包括厚度、孔隙率、孔径等，气体分子特性参数则包括气体分子的自由程、分子量、黏度等。

  聚四氟乙烯微孔薄膜虽然孔隙多，但由于微孔的孔径小，平均只有2μm左右，且微孔的通路是弯弯曲曲的，其本身的透气性较低。对于PTFE微孔薄膜可以作如下假设：薄膜厚度L均匀，微孔的孔径γ相同，微孔垂直于薄膜，孔密度为定值。

  膜厚度可以认为是气体透过膜时透过路径的长度，是气体透过膜产生阻力的量度。为研究薄膜厚度对气体透过速率的影响，采用同种膜进行叠加的方法，以增加厚度。当薄膜厚度增加时，透过压差需增加相应倍数才能得到大致相同的气体透过速率，表明在相同的气体压差下，气体透过速率将随膜厚度的增加而线性降低，二者成反比关系。

  气体分子透过多孔膜可以用努森扩散、黏性流动、表明扩散流动、毛细管凝聚、分子筛分等机理来描述。在室温时，PTFE薄膜表面能低，可以忽略气体与PTFE膜的吸附作用，气体分子不与PTFE表面发生相互作用，因此气体基本不以表面扩散的形式通过膜孔；薄膜孔径远远大于气体分子的直径，且在实验温度下，所有气体均不发生凝聚现象，可以排除毛细管凝聚和分子筛分的可能。因此，可以推断气体分子将以努森扩散和黏性流动中的一种或两种机理共存下透过膜孔。

  薄膜在成型过程中，由于拉伸和固化等工艺的影响，造成孔径在薄膜厚度方向上的差异，也就是PTFE微孔薄膜属非对称均质膜。因此膜孔必然在厚度方向上存在“缩脉”，此处孔径最小，“缩脉”的长度将是气体透过阻力的长度。因此，为确定其他膜结构参数对透过率的影响必须确定这个真实的“阻力厚度”。

  不同膜、不同气体的透过系数实验值与K的计算结果均具有良好的线性关系，根据直线的斜率，取其倒数就可以得到各种PTFE膜的对气体透过时的真实“阻力厚度”。PTFE膜的阻力厚度均小于其表观厚度，受薄膜制作工艺的影响，阻力厚度与表观厚度的比例也不尽相同，这也说明气体分子将在努森扩散和黏性流动两种共同作用下通过膜孔。