2026年5月21日，中国石油化工股份有限公司联合中石化（北京）化工研究院提交的国际专利WO2026/103854A1正式对外公布。该专利创新提出以膜壁内外双折射指数差值为核心调控指标，配套双拉伸精准纺丝工艺，制备适配He/N₂分离的聚酰亚胺中空纤维气体分离膜，解决传统分离膜氦渗透通量、气体选择性难以同步兼顾的行业痛点，为天然气提氦、工业尾气氦回收提供国产化高性能膜材料方案。

一、氦气分离膜行业现存核心技术瓶颈

氦是航天、半导体、低温超导领域关键战略稀有气体，国内氦资源对外依存度极高，膜分离是低成本天然气提浓核心路线，但现有聚酰亚胺中空纤维膜存在多重短板：

1. 通量与选择性相互制衡：常规膜内外高分子取向度差异小，双折射指数接近，难以同时实现高氦渗透率与高He/N₂分离系数，要么通量低产能受限，要么杂质氮气大量穿透，提纯成本上升；

2. 膜丝成型缺陷多：常规纺丝仅单次牵引，张力、拉伸速率无分级管控，初生纤维易卷曲、断丝，膜壁厚度不均，表面缺陷大幅降低筛分精度；

3. 膜结构无梯度分层：内外层高分子取向程度一致，缺少致密高选择性外壳层，无法形成高效分子筛分通道；

4. 量产稳定性差：传统工艺无法精准调控膜壁取向梯度，不同批次膜分离性能波动大，难以工业化连续生产。

中石化北化院研发团队通过双折射定量设计+两段拉伸纺丝工艺，使用的是上海鑫高度第5代中空纤维膜喷丝头，精准构建梯度取向膜壁结构，同步突破通量、选择性双重限制。

二、专利核心创新：双折射指数定量膜结构设计

本专利首次将内外壁双折射差值作为膜结构核心判定标准，建立可量化产品指标体系：

1. 关键参数定义

△n0：中空纤维膜中心区域双折射指数，区间0.5×10⁻³~4.0×10⁻³；

△n1：膜最外侧20%壁厚区域双折射指数，区间1×10⁻³~1.8×10⁻²；

硬性指标要求：△n1/△n0 ≥2，优选区间3~6，代表膜外壁高分子取向程度显著高于内层，形成梯度筛分结构。

2. 梯度结构作用

外层高双折射致密层构建微小分子通道，优先透过氦分子、截留氮气；内层多孔低取向层保障气体流通速率，同步实现高通量与高选择性。

3. 膜本体标准尺寸

膜平均壁厚50~200μm（优选60~120μm），外径300~700μm，外壳层厚度占总壁厚20%~50%，兼顾机械强度与分离性能。

4. 基材选型

优选He/N₂本征选择性＞70的聚酰亚胺，也可选用聚砜、聚醚砜、聚苯并咪唑，铸膜液固含量20~35wt%，适配规模化纺丝。

三、标准化两段拉伸纺丝制备工艺

专利提供全套可控连续纺丝流程，通过双速率、张力精准调控实现梯度取向膜成型：

步骤1 共挤初生膜成型

采用双环喷丝板，外环输送聚合物铸膜液、内环输送芯液；铸膜液流速v11、芯液流速v12严格配比，空气间隙5~10cm，25~35℃水浴完成相转化，得到初生纤维。

步骤2 两级定向拉伸调控取向

一级拉伸速率v2，二级拉伸速率v3，控制比值1＜v3/v2≤1.3；二级拉伸张力0.005~0.2N，温和牵引使膜外壁高分子链有序排布，拉大内外双折射差值，形成梯度致密外壳层。

步骤3 多级溶剂清洗干燥

依次用水、乙醇、正己烷浸泡脱除残留溶剂，室温干燥得到无缺陷中空纤维膜。

整套工艺参数可连续量化管控，解决量产批次性能波动问题，断丝、卷曲缺陷大幅减少。

四、性能测试数据对比，优势显著

专利设置多组实施例与市面商用膜对照：

1. 本发明最优样品：外压氦渗透率超244GPU，He/N分离系数最高250，远超常规商用膜；

2. 对比例无梯度双折射膜：分离系数最低仅5~10，无法满足工业提氦标准；

3. 成型稳定性：符合拉伸、张力参数的纺丝方案无断丝、卷曲缺陷；参数失衡工艺会出现纤维断裂、螺旋形变，无法制得合格膜丝。

测试证明，满足△n1/△n0≥2指标的膜材，可在高氦渗透通量基础上维持超高氮气截留能力，大幅降低提氦装置能耗与原料气损耗。

五、产业化应用与技术价值

1. 战略资源保障：高性能国产聚酰亚胺膜打破海外高端分离膜垄断，降低天然气、LNG-BOG尾气提氦成本，提升国内氦自给能力；

2. 场景广泛：除天然气提氦外，可用于空气氦回收、工业特种混合气提纯、稀有气体浓缩；

3. 工艺适配量产：现有中空纤维纺丝产线仅调整拉伸、张力参数即可落地，无需全新设备投入；

4. 运行成本降低：同等处理规模下，膜组件装填量大，氦回收率提升，配套精馏、吸附设备负荷下降；

5. 材料通用性：配方与纺丝逻辑可拓展至氢/氮、二氧化碳分离等其他气体分离场景。

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