CN111389227A - 改性聚四氟乙烯中空纤维膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜及其制备方法和应用,涉及中空纤维膜技术领域。该制备方法通过将聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂混合得到的聚四氟乙烯物料,依次经过压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜,其中,纳米二氧化硅表面含有大量硅羟基,纳米亲水复合材料在二氧化硅表面发生接枝反应,并配合孔径修饰剂处理和亲水稳定剂处理,可以有效提高聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径的均匀性和稳定性,聚四氟乙烯中空纤维膜孔径均匀控制在0.03‑2.5μm之间,孔隙率可达到77%以上。本发明还提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
Description
技术领域
本发明属于中空纤维膜技术领域,具体涉及一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜及其制备方法和应用。
背景技术
聚四氟乙烯是一种对酸、碱、有机溶剂以及高温环境等具有良好耐受性的膜材料,采用该材料制成的聚四氟乙烯中空纤维膜具有膜丝强度高、化学稳定性好,耐强酸强碱腐蚀、耐高温和孔隙率高等优势,在膜蒸馏、酸碱性分水处理、膜生物反应器等水处理领域具有良好的应用前景。
由于聚四氟乙烯是一种疏水性很强的膜材料,因此现有技术中制备的聚四氟乙烯中空纤维膜在作为微滤膜使用前需表面活化,活化方法包括钠萘处理、电子辐照和等离子体处理等方法。这些处理方法会影响聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径和孔隙率。
有鉴于此,特提出本发明以解决上述技术问题中的至少一个。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,该制备方法可有效提高改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径的均匀性和稳定性。
本发明的第二目的在于提供一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜,采用上述制备方法制备得到。
本发明的第三目的在于提供上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜的应用。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
本发明提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
提供纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠形成的纳米亲水复合材料;其中,所述纳米材料包括纳米碳酸钠、纳米碳酸钙、纳米钛酸锶或纳米二氧化钛中的任意一种或至少两种的组合;
将聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂混合得到的聚四氟乙烯物料,依次经过压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠的质量比为(0.5-4):(1-10):(0.3-1.8):(0.01-2.0):(0.001-0.02):(0.001-0.02),优选为(2-4):(3-8):(0.8-1.5):(0.2-1):(0.009-0.01):(0.009-0.01)。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述纳米亲水复合材料的制备方法包括以下步骤:
将纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠于保护性气氛下混合并加热,然后分离和干燥,得到纳米亲水复合材料;
优选地,所述保护性气氛包括氮气、氦气、氩气、氖气或氪气中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述加热的温度为30-60℃;
优选地,所述干燥为真空干燥;
优选地,所述低碳醇A包括C1-C4的醇类,优选包括甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述水合联氨溶液中水合联氨的质量分数为70-80%;
优选地,所述聚醚多元醇溶液中聚醚多元醇的质量分数为90-95%;
优选地,所述聚醚多元醇溶液中的聚醚多元醇包括PPG-2000和/或PPG-3000;
优选地,所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂;
优选地,所述硅烷偶联剂包括牌号为KH550的硅烷偶联剂和/或牌号为KH792的硅烷偶联剂;
优选地,所述钛酸酯偶联剂包括牌号为CT-114的钛酸酯偶联剂和/或牌号为KR-TTS的钛酸酯偶联剂。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂的质量比为(10-20):(1-4):(2-6):(0.05-0.50)。
优选地,所述聚四氟乙烯树脂的数均分子量为200-1000万;
优选地,所述聚四氟乙烯树脂包括牌号为日本大金公司F106的聚四氟乙烯树脂和/或牌号为日本旭硝子公司CD123的聚四氟乙烯树脂;
优选地,所述纳米二氧化硅的平均粒径为10-30nm;
优选地,所述助挤剂包括液态石蜡、石油醚或煤油中的任意一种或至少两种的组合。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述压坯与挤出处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯物料压制成毛坯,将毛坯挤出形成聚四氟乙烯中空管;
优选地,将毛坯于60-120℃下挤出;
优选地,挤出速度为100-300cm/min。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述拉伸和烧结热定型处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯中空管进行一次拉伸和一次烧结热定型后,再进行二次拉伸和二次烧结热定型,得到聚四氟乙烯中空纤维膜;
优选地,所述一次拉伸的温度为200-280℃,所述一次拉伸的倍数为0.5-4倍;
优选地,所述一次烧结热定型的温度为320-360℃,所述一次烧结热定型的时间为10-40s;
优选地,所述二次拉伸的温度为320-360℃,所述二次拉伸的倍数为3-8倍;
优选地,所述二次烧结热定型的温度为380-400℃,所述二次烧结热定型的时间为10-40s。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述孔径修饰剂处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于孔径修饰剂中,然后干燥,得到修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜;
优选地,所述孔径修饰剂包括聚全氟乙丙烯、水和乙醇,聚全氟乙丙烯、水和乙醇的质量比为(10-30):(60-80):(10-20);
优选地,浸渍的时间为10-60s;
优选地,干燥的温度为250-270℃,干燥的时间为50-80s。
进一步地,在本发明上述技术方案的基础之上,所述亲水稳定剂处理包括以下步骤:
提供亲水稳定剂和低碳醇B形成的混合溶液;
将修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于混合溶液中,然后干燥,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜;
优选地,所述亲水稳定剂包括牌号为河北中创蓝星LANXU-60M PTFE的亲水稳定剂;
优选地,所述低碳醇B包括C1-C4的醇类,优选包括甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,混合溶液中亲水稳定剂和低碳醇B的体积比为(30-60):(30-60);
优选地,浸渍的温度为30-60℃,浸渍的时间为1.5-3h;
优选地,干燥的温度为30-60℃,干燥的时间为15-28h。
本发明还提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜,采用上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法制得。
本发明还提供了上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜在水处理领域中的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,通过将聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂混合得到的聚四氟乙烯物料,依次经过压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜,其中,纳米二氧化硅表面含有大量硅羟基,纳米亲水复合材料在二氧化硅表面发生接枝反应,并配合孔径修饰剂处理和亲水稳定剂处理,可以有效提高聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径的均匀性和稳定性,将改性聚四氟乙烯中空纤维膜孔径均匀控制在0.03-2.5μm之间,增加了改性聚四氟乙烯中空纤维膜的表面润滑、自洁性能和抗污染能力,同时,该改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔隙率可达到77%以上,改善了现有制备方法中表面活化处理影响聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径和孔隙率的缺陷。
(2)本发明提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜,采用上述制备方法制得,通过上述制备方法制得的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径具有良好的均匀性和稳定性。
(3)本发明提供了上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜的应用,鉴于上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜所具有的优势,使得该改性聚四氟乙烯中空纤维膜可应用于水处理领域,例如工业废水处理、氯碱厂一次盐水精处理、脱硫废水的预处理、酸碱废液的处理、生产料液预处理、海水淡化预处理等领域。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施方式和实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
根据本发明的第一个方面,提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
提供纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠形成的纳米亲水复合材料;其中,纳米材料包括纳米碳酸钠、纳米碳酸钙、纳米钛酸锶或纳米二氧化钛中的任意一种或至少两种的组合;
将聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂混合得到的聚四氟乙烯物料,依次经过压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
具体的,纳米亲水复合材料在制备改性聚四氟乙烯中空纤维膜过程中,可与纳米二氧化硅表面发生接枝反应,从而增加了膜孔径的均匀孔隙率,增强了中空纤维膜的自洁性能和抗污染能力。
纳米亲水复合材料包括纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠。
其中,低碳醇A主要作为纳米材料的溶剂;水合联氨溶液和聚醚多元醇溶液主要作为纳米材料的亲水稳定剂;十二烷基磺酸钠主要作为亲水剂。
通过纳米亲水复合材料中各原料的配合,使得所得到的纳米亲水复合材料具有良好的亲水性能,使得该纳米亲水复合材料能与纳米二氧化硅表面含有大量硅羟基发生接枝反应,有利于提高改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径的均匀性和稳定性,同时也有利于改性聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水性和抗污染性能的提高。
压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理可选用本领域常见的技术手段。
本发明提供的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,通过将聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂混合得到的聚四氟乙烯物料,依次经过压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜,其中,纳米二氧化硅表面含有大量硅羟基,纳米亲水复合材料在纳米二氧化硅表面发生接枝反应,并配合孔径修饰剂处理和亲水稳定剂处理,可以有效提高了聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径的均匀性和稳定性,将改性聚四氟乙烯中空纤维膜孔径均匀控制在0.03-2.5μm之间,增加了改性聚四氟乙烯中空纤维膜的表面润滑和自洁性能以及抗污染能力,同时,该改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔隙率可达到77%以上,改善了现有制备方法中表面活化处理影响聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径和孔隙率的缺陷。
作为本发明的一种可选实施方式,纳米材料、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠的质量比为(0.5-4):(1-10):(0.3-1.8):(0.01-2.0):(0.001-0.02):(0.001-0.02),优选为(2-4):(3-8):(0.8-1.5):(0.2-1):(0.009-0.01):(0.009-0.01)。纳米材料、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠典型但非限制性的质量比为0.5:1:0.3:0.01:0.001:0.001、1:1:0.3:0.01:0.001:0.001、2:1:0.3:0.01:0.001:0.001、3:1:0.3:0.01:0.001:0.001、4:1:0.3:0.01:0.001:0.001、1:1.5:0.4:0.06:0.02:0.01、1:4:0.5:0.03:0.001:0.003、1:5:1:0.1:0.01:0.01、2:6:0.6:0.07:0.003:0.005、2:8:1.5:1:0.02:0.02、4:10:1.8:2.0:0.02:0.02、4:10:1.8:2.0:0.001:0.001或4:5:0.5:2.0:0.01:0.01。
通过对纳米亲水复合材料中各原料用量的限定,使得该纳米亲水复合材料具有良好亲水性的同时,与聚四氟乙烯树脂兼容性好,可提高改性聚四氟乙烯中空纤维膜的致密性、光洁度、亲水性和耐磨性能,具有稳定和永久亲水的优势。
作为本发明的一种可选实施方式,纳米亲水复合材料的制备方法包括以下步骤:
将纳米材料、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠于保护性气氛下混合并加热,然后分离和干燥,得到纳米亲水复合材料。
于保护性气氛下对各原料进行混合并加热,主要是为了避免温度过高对原料性能产生不利影响。
作为本发明的一种可选实施方式,保护性气氛包括氮气、氦气、氩气、氖气或氪气中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式,加热的温度为30-60℃,典型但非限制性的加热的温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃或60℃。
作为本发明的一种可选实施方式,干燥为真空干燥。
作为本发明的一种可选实施方式,低碳醇A包括C1-C4的醇类,优选包括甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一种可选实施方式,纳米亲水复合材料的制备方法包括以下步骤:
将纳米材料、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠置于密闭容器中,采用超声仪分散,把氮气通入密闭容器,于温度30-60℃加热搅拌;然后抽滤,形成初级亲水复合材料,然后把初级亲水复合材料采用无水乙醇继续抽滤,经真空干燥后得到纳米亲水复合材料。
作为本发明的一种可选实施方式,水合联氨溶液中水合联氨的质量分数为70-80%;典型但非限制性的质量分数为70%、72%、74%、75%、76%、78%或80%。
优选地,聚醚多元醇溶液中聚醚多元醇的质量分数为90-95%;典型但非限制性的质量分数为90%、91%、92%、93%、94%或95%。
优选地,聚醚多元醇溶液中的聚醚多元醇包括PPG-2000和/或PPG-3000;
优选地,偶联剂包括硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂;
优选地,硅烷偶联剂包括牌号为KH550的硅烷偶联剂和/或牌号为KH792的硅烷偶联剂;
优选地,钛酸酯偶联剂包括牌号为CT-114的钛酸酯偶联剂和/或牌号为KR-TTS的钛酸酯偶联剂。
通过对各原料具体种类的限定,使得各原料之间具有良好的相容性,且得到的纳米亲水复合材料的性能更佳。
作为本发明的一种可选实施方式,聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂的质量比为(10-20):(1-4):(2-6):(0.05-0.50);聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂典型但非限制性的质量比为10:1:2:0.05、15:1:2:0.05、15:2:3:0.1、20:1:2:0.05、10:2:4:0.10、15:4:5:0.20、18:4:3:0.5、18:4:6:0.50、20:3:3:0.1、20:4:6:0.50、10:4:6:0.05、10:4:6:0.50、15:4:6:0.05或10:4:6:0.10。
作为本发明的一种可选实施方式,聚四氟乙烯树脂的数均分子量为200-1000万。聚四氟乙烯树脂典型但非限制性的数均分子量为200、1000、5000、1万、10万、50万、100万、200万、300万、400万、500万、600万、700万、800万、900万或1000万。
作为本发明的一种可选实施方式,聚四氟乙烯树脂的牌号包括日本大金公司F106和/或日本旭硝子公司CD123。
作为本发明的一种可选实施方式,纳米二氧化硅的平均粒径为10-30nm。纳米二氧化硅典型但非限制性的平均粒径为10nm、12nm、15nm、18nm、20nm、22nm、25nm、28nm或30nm。
作为本发明的一种可选实施方式,助挤剂包括液态石蜡、石油醚或煤油中的任意一种或至少两种的组合。
通过对聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、助挤剂具体种类或性能参数的限定,使得各原料之间具有良好的相容性。
作为本发明的一种可选实施方式,压坯与挤出处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯物料压制成毛坯,将毛坯挤出形成聚四氟乙烯中空管。
压坯与挤出处理主要是将聚四氟乙烯物料制成中空管状结构。
作为本发明的一种可选实施方式,将毛坯于60-120℃下挤出;典型但非限制性的挤出温度为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃或120℃。
作为本发明的一种可选实施方式,挤出速度为100-300cm/min。典型但限制性的挤出速度为100cm/min、120cm/min、150cm/min、180cm/min、200cm/min、220cm/min、250cm/min、280cm/min或300cm/min。
作为本发明的一种可选实施方式,拉伸和烧结热定型处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯中空管进行一次拉伸和一次烧结热定型后,再进行二次拉伸和二次烧结热定型,得到聚四氟乙烯中空纤维膜。
经过一次拉伸和一次烧结热定型后,再进行二次拉伸和二次烧结热定型。其中,采用一次拉伸,可促进较多微裂纹的产生。在较多微裂纹的基础上,一次烧结热定型。二次拉伸是在高温下进一步拉伸(玻璃化温度和熔点之间),产生原纤并进一步生长。这种拉伸工艺可保证中空纤维膜具有较高的孔隙率,且孔径较小,孔径分布更佳。在保持良好亲水性能的同时,不会因聚四氟乙烯中空纤维膜膜尺寸收缩而降低孔径,因此采用上述工艺有利于获得孔径均匀,孔隙率更高的聚四氟乙烯中空纤维膜。
作为本发明的一种可选实施方式,一次拉伸的温度为200-280℃,一次拉伸的倍数为0.5-4倍。典型但非限制性的一次拉伸的温度为200℃、210℃、220℃、230℃、250℃、260℃或280℃,典型但非限制性的一次拉伸的倍数为0.5倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍、2.5倍、3.0倍、3.5倍或4.0倍。
作为本发明的一种可选实施方式,一次烧结热定型的温度为320-360℃,一次烧结热定型的时间为10-40s。典型但非限制性的一次烧结热定型的温度为320℃、325℃、330℃、335℃、340℃、345℃、350℃、355℃或360℃,典型但非限制性的一次烧结热定型的时间为10s、15s、20s、25s、30s或40s。
作为本发明的一种可选实施方式,二次拉伸的温度为320-360℃,二次拉伸的倍数为3-8倍。典型但非限制性的二次拉伸的温度为320℃、325℃、330℃、335℃、340℃、345℃、350℃、355℃或360℃,典型但非限制性的二次拉伸的倍数为3倍、4倍、5倍、6倍、7倍或8倍。
优选地,二次烧结热定型的温度为380-400℃,二次烧结热定型的时间为10-40s。典型但非限制性的二次烧结热定型的温度为380℃、385℃、390℃、395℃或400℃,典型但非限制性的二次烧结热定型的时间为10s、12s、15s、18s、20s、25s、30s、35s、38s或40s。
通过对一次拉伸、一次烧结热定型、二次拉伸和二次烧结热定型中具体工艺参数的限定,使得聚四氟乙烯中空纤维膜的孔隙率和膜孔径的均匀度和水通量都有明显的提高。
作为本发明的一种可选实施方式,孔径修饰剂处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于孔径修饰剂中,然后干燥,得到修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜。
采用孔径修饰剂对聚四氟乙烯中空纤维膜进行浸渍处理,可使得聚四氟乙烯中空纤维膜的外层比内层致密,从而进一步提升聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径分布均匀性,通过孔径修饰剂对聚四氟乙烯中空纤维膜进行处理增加了膜的表面润滑、自洁性能和抗污染能力,同时使其具有大流量和易清洗的特性。
作为本发明的一种可选实施方式,孔径修饰剂包括聚全氟乙丙烯、水和乙醇,聚全氟乙丙烯、水和乙醇的质量比为(10-30):(60-80):(10-20)。典型但非限制性的聚全氟乙丙烯、水和乙醇的质量比10:60:10、20:60:10、30:60:10、10:70:10、10:80:10、10:60:15、10:60:20、20:70:15、20:80:20或30:80:20。
作为本发明的一种可选实施方式,浸渍的时间为10-60s;典型但非限制性的浸渍的时间为10s、20s、30s、40s、50s或60s。
作为本发明的一种可选实施方式,干燥的温度为250-270℃,干燥的时间为50-80s。典型但非限制性的干燥的温度为250℃、255℃、260℃、265℃或270℃,干燥的时间为50s、60s、70s或80s。
作为本发明的一种可选实施方式,亲水稳定剂处理包括以下步骤:
提供亲水稳定剂和乙醇形成的混合溶液;
将修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于混合溶液中,然后干燥,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
采用亲水稳定剂对修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜进行浸渍处理,可使得聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水性和抗污染性能得到明显提升。
作为本发明的一种可选实施方式,亲水稳定剂包括牌号为河北中创蓝星LANXU-60M PTFE的亲水稳定剂。
LANX-60M PTFE亲水稳定剂是一种新型的环保亲水性产品,主要成分为:聚环氧琥珀酸、戊二醛和苯乙烯磺酸盐共聚物、去离子溶液,其清澈,粘度较低,亲水性好的同时,又带有油溶性特征,与制膜液凝胶体系相容性好,水通量高且低泡。
作为本发明的一种可选实施方式,混合溶液中亲水稳定剂和乙醇的体积比为(30-60):(30-60);典型但非限制性的亲水稳定剂和乙醇的体积比为30:30、30:40、30:50、30:60、40:30、40:50、40:60、50:30、50:40、50:60、60:30、60:40、60:50或60:60。
作为本发明的一种可选实施方式,浸渍的温度为30-60℃,浸渍的时间为1.5-3h。典型但非限制性的浸渍的温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃或60℃,典型但非限制性的浸渍的时间为1.5h、2h、2.5h或3h。
作为本发明的一种可选实施方式,干燥的温度为30-60℃,干燥的时间为15-28h。典型但非限制性的干燥的温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃或60℃,典型但非限制性的干燥的时间为15h、18h、20h、22h、24h、25h或28h。
通过对亲水稳定剂处理过程中亲水稳定剂原料用量、浸渍以及干燥参数的限定,使得亲水稳定剂与修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜的相容性好,使所得到的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水性能和水通量大大提升。
根据本发明的第二个方面,本发明还提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜,采用上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法制得。
鉴于上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法所具有的优势,使得所制得的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径具有良好的均匀性和稳定性。
根据本发明的第三个方面,还提供了上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜的应用。
鉴于上述改性聚四氟乙烯中空纤维膜所具有的优势,使得该改性聚四氟乙烯中空纤维膜可应用于水处理领域,例如工业废水处理、氯碱厂一次盐水精处理、脱硫废水的预处理、酸碱废液的处理、生产料液预处理、海水淡化预处理等领域。
下面结合具体实施例和对比例,对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
(a)提供纳米材料、质量浓度为95%的乙醇、质量分数为80%的水合联氨溶液、质量分数为95%的聚醚多元醇溶液(PPG-2000)、偶联剂KH-550和十二烷基磺酸钠形成的纳米亲水复合材料;其中,所述纳米材料为纳米碳酸钠;
纳米亲水复合材料的制备方法包括以下步骤:
将纳米碳酸钠、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂KH-550、十二烷基磺酸钠按照质量比1:1.5:0.4:0.06:0.02:0.01置于密闭容器中,采用超声仪分散,将氮气通入密闭容器,在温度为40℃加热搅拌15min;抽滤,形成初级亲水复合材料,然后把初级亲水复合材料用无水乙醇继续抽滤10h,经真空干燥后得到纳米亲水复合材料;
(b)聚四氟乙烯物料的制备:将F106聚四氟乙烯树脂粉末(数均分子量为200万)、纳米二氧化硅(平均粒径20nm)、纳米亲水复合材料和助挤剂(石油醚、航空煤油和15#液体石蜡的混合物,三者体积比1:1:1)按质量百分比15:2:3:0.1混合均匀,在20℃下静置30h,使聚四氟乙烯树脂粉末、纳米改性复合材料、助挤剂、纳米二氧化硅充分混合,形成聚四氟乙烯物料;
(c)压坯与挤出处理:将上述的聚四氟乙烯物料在压坯机上压制成圆柱形毛坯,将圆柱形毛坯通过推压机,在80℃下挤出形成聚四氟乙烯中空管,挤出速度为150cm/min;
(d)拉伸和烧结热定型处理:将上述的聚四氟乙烯中空管在200℃下进行一次拉伸,拉伸倍数为1.5倍,然后在360℃下进行一次烧结热定型,烧结时间为15s;然后再将一次烧结热定型的聚四氟乙烯中空管在360℃下进行二次拉伸,拉伸倍数为4倍,然后在380℃下进行二次烧结热定型,烧结时间为15s,制备成聚四氟乙烯中空纤维膜;
(e)孔径修饰剂处理:提供孔径修饰剂,孔径修饰剂包括以下质量分数的各原料:TE9568聚全氟乙丙烯10%,水80%和乙醇10%;
将聚四氟乙烯中空纤维膜采用外层浸渍方式浸渍于孔径修饰剂中15s,浸渍后的聚四氟乙烯中空纤维膜在260℃温度下烘干60s,得到修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜;
(f)亲水稳定剂处理:将体积比为50:50亲水稳定剂LANXU-60M PTFE和乙醇混合后,超声处理10min,得到混合溶液;
将修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于混合溶液中,浸渍温度40℃,时间为2h,然后干燥20h,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
实施例2
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了步骤(a)中纳米碳酸钠、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂KH-550、十二烷基磺酸钠的质量比为1:4:0.5:0.03:0.001:0.003,其余步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了步骤(d)二次拉伸的倍数由4倍变为6.5倍,其余步骤与实施例2相同。
实施例4
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了将步骤(a)中的纳米碳酸钠替换为纳米钛酸锶,其余步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了将步骤(a)中的纳米碳酸钠替换为纳米二氧化钛,其余步骤与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,包括以下步骤:
(a)提供纳米材料、质量浓度为95%的乙醇、质量分数为80%的水合联氨溶液、质量分数为95%的聚醚多元醇溶液、钛酸酯偶联剂CT-114和十二烷基磺酸钠形成的纳米亲水复合材料;其中,纳米材料为纳米碳酸钙;
纳米亲水复合材料的制备方法包括以下步骤:
将纳米碳酸钙、乙醇、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、钛酸酯偶联剂CT-114、十二烷基磺酸钠按照质量比2:6:0.6:0.07:0.003:0.005置于密闭容器中,采用超声仪分散,将氮气通入密闭容器,在温度为40℃加热搅拌15min;抽滤,形成初级亲水复合材料,然后把初级亲水复合材料用无水乙醇继续抽滤10h,经真空干燥后得到纳米亲水复合材料;
(b)聚四氟乙烯物料的制备:将F106聚四氟乙烯树脂粉末、纳米二氧化硅(平均粒径20nm)、纳米亲水复合材料和助挤剂(石油醚、航空煤油和15#液体石蜡的混合物,三者体积比1:1:1)按质量百分比18:4:3:0.5混合均匀,在40℃下静置20h,使聚四氟乙烯树脂粉末、纳米改性复合材料、助挤剂和纳米二氧化硅充分混合,形成聚四氟乙烯物料;
(c)压坯与挤出处理:将上述的聚四氟乙烯物料在压坯机上压制成圆柱形毛坯,将圆柱形毛坯通过推压机,在80℃下挤出形成聚四氟乙烯中空管,挤出速度为150cm/min;
(d)拉伸和烧结热定型处理:将上述的聚四氟乙烯中空管在240℃下进行一次拉伸,拉伸倍数为2倍,然后在369℃下进行一次烧结热定型,烧结时间为25s;然后再将一次烧结热定型的聚四氟乙烯中空管在340℃下进行二次拉伸,拉伸倍数为5倍,然后在390℃下进行二次烧结热定型,烧结时间为18s,制备成聚四氟乙烯中空纤维膜;
(e)孔径修饰剂处理:提供孔径修饰剂,孔径修饰剂包括以下质量分数的各原料:TE9568聚全氟乙丙烯10%,水80%和乙醇10%;
将聚四氟乙烯中空纤维膜采用外层浸渍方式浸渍于孔径修饰剂中15s,浸渍后的聚四氟乙烯中空纤维膜在260℃温度下烘干60s,得到修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜;
(f)亲水稳定剂处理:将体积比为50:50亲水稳定剂LANXU-60M PTFE和乙醇混合后,超声处理10min,得到混合溶液;
将修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于混合溶液中,浸渍温度40℃,时间为2h,然后干燥20h,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
实施例7
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了将步骤(d)中的一次拉伸的倍数由2倍变为3倍,一次烧结热定型的烧结时间为35s,二次拉伸的倍数由5倍变为7倍,二次烧结热定型的烧结时间为40s。
其余步骤与实施例6相同。
实施例8
本实施例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了步骤(b)中聚四氟乙烯树脂粉末、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂的质量比为20:3:3:0.1,其余步骤与实施例6相同。
对比例1
本对比例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了将步骤(a)中的纳米碳酸钠替换为纳米碳酸锌,其余步骤与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,除了未进行步骤(a),且步骤(b)中未添加纳米亲水复合材料,其余步骤与实施例1相同。
为了进一步验证上述实施例和对比例的技术效果,特进行以下实验例。
实验例1
对上述实施例和对比例所制得的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径大小、孔隙率以及水通量进行检测。其中,孔径的检测方法依据HY/T 051-1999中空纤维微孔滤膜测试方法,孔隙率的检测方法依据GB/T 32361-2015分离膜孔径测试方法泡点和平均流量法,水通量的检测方法依据HY/T 051-1999中空纤维微孔滤膜测试方法,具体结果见表1。
表1
通过表1中数据可以看出,采用本发明各实施例改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔径大小、孔隙率以及水通量等性能整体要优于对比例改性聚四氟乙烯中空纤维膜的性能。
具体的,实施例4-5为实施例1的对照试验,三者分别考察了采用不同种类的纳米材料对于改性聚四氟乙烯中空纤维膜的影响。从表中数据可以看出,采用纳米碳酸钠作为纳米材料对于改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔隙率、膜孔径的均匀度和水通量的提升明显优于采用纳米钛酸锶和纳米二氧化钛作为纳米材料。
实施例3为实施例1的对照试验,实施例7为实施例6的对照试验。对比上述实施例数据可以看出,分段增加改性聚四氟乙烯中空纤维膜的拉伸倍数和烧结时间,改性聚四氟乙烯中空纤维膜的孔隙率、膜孔径的均匀度和水通量都有明显的提高。
对比例1为实施例1的对比试验。对比例1中采用纳米碳酸锌作为纳米材料,不同于本发明纳米材料的种类。从表中数据可以看出,对比例1提供的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的性能和孔隙率均匀性明显低于实施例1,故由此可见,在本发明中对于纳米材料具体种类的选择有一定的限定。
对比例2也为实施例1的对比试验。与对比例1相比,对比例2中未添加纳米材料。从表1中数据可以看出,未添加纳米亲水复合材料,改性聚四氟乙烯中空纤维膜孔隙率的均匀性、水通量有明显的降低。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠形成的纳米亲水复合材料;其中,所述纳米材料包括纳米碳酸钠、纳米碳酸钙、纳米钛酸锶或纳米二氧化钛中的任意一种或至少两种的组合;
将聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂混合得到的聚四氟乙烯物料,依次经过压坯与挤出处理、拉伸和烧结热定型处理、孔径修饰剂处理以及亲水稳定剂处理,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠的质量比为(0.5-4):(1-10):(0.3-1.8):(0.01-2.0):(0.001-0.02):(0.001-0.02),优选为(2-4):(3-8):(0.8-1.5):(0.2-1):(0.009-0.01):(0.009-0.01)。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述纳米亲水复合材料的制备方法包括以下步骤:
将纳米材料、低碳醇A、水合联氨溶液、聚醚多元醇溶液、偶联剂和十二烷基磺酸钠于保护性气氛下混合并加热,然后分离和干燥,得到纳米亲水复合材料;
优选地,所述保护性气氛包括氮气、氦气、氩气、氖气或氪气中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述加热的温度为30-60℃;
优选地,所述干燥为真空干燥;
优选地,所述低碳醇A包括C1-C4的醇类,优选包括甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述水合联氨溶液中水合联氨的质量分数为70-80%;
优选地,所述聚醚多元醇溶液中聚醚多元醇的质量分数为90-95%;
优选地,所述聚醚多元醇溶液中的聚醚多元醇包括PPG-2000和/或PPG-3000;
优选地,所述偶联剂包括硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂;
优选地,所述硅烷偶联剂包括牌号为KH550的硅烷偶联剂和/或牌号为KH792的硅烷偶联剂;
优选地,所述钛酸酯偶联剂包括牌号为CT-114的钛酸酯偶联剂和/或牌号为KR-TTS的钛酸酯偶联剂。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述聚四氟乙烯树脂、纳米二氧化硅、纳米亲水复合材料和助挤剂的质量比为(10-20):(1-4):(2-6):(0.05-0.50);
优选地,所述聚四氟乙烯树脂的数均分子量为200-1000万;
优选地,所述聚四氟乙烯树脂包括牌号为日本大金公司F106的聚四氟乙烯树脂和/或牌号为日本旭硝子公司CD123的聚四氟乙烯树脂;
优选地,所述纳米二氧化硅的平均粒径为10-30nm;
优选地,所述助挤剂包括液态石蜡、石油醚或煤油中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述压坯与挤出处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯物料压制成毛坯,将毛坯挤出形成聚四氟乙烯中空管;
优选地,将毛坯于60-120℃下挤出;
优选地,挤出速度为100-300cm/min。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述拉伸和烧结热定型处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯中空管进行一次拉伸和一次烧结热定型后,再进行二次拉伸和二次烧结热定型,得到聚四氟乙烯中空纤维膜;
优选地,所述一次拉伸的温度为200-280℃,所述一次拉伸的倍数为0.5-4倍;
优选地,所述一次烧结热定型的温度为320-360℃,所述一次烧结热定型的时间为10-40s;
优选地,所述二次拉伸的温度为320-360℃,所述二次拉伸的倍数为3-8倍;
优选地,所述二次烧结热定型的温度为380-400℃,所述二次烧结热定型的时间为10-40s。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述孔径修饰剂处理包括以下步骤:
将聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于孔径修饰剂中,然后干燥,得到修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜;
优选地,所述孔径修饰剂包括聚全氟乙丙烯、水和乙醇,聚全氟乙丙烯、水和乙醇的质量比为(10-30):(60-80):(10-20);
优选地,浸渍的时间为10-60s;
优选地,干燥的温度为250-270℃,干燥的时间为50-80s。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述亲水稳定剂处理包括以下步骤:
提供亲水稳定剂和低碳醇B形成的混合溶液;
将修饰后的聚四氟乙烯中空纤维膜浸渍于混合溶液中,然后干燥,得到改性聚四氟乙烯中空纤维膜;
优选地,所述亲水稳定剂包括牌号为河北中创蓝星LANXU-60M PTFE的亲水稳定剂;
优选地,所述低碳醇B包括C1-C4的醇类,优选包括甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,混合溶液中亲水稳定剂和低碳醇B的体积比为(30-60):(30-60);
优选地,浸渍的温度为30-60℃,浸渍的时间为1.5-3h;
优选地,干燥的温度为30-60℃,干燥的时间为15-28h。
9.一种改性聚四氟乙烯中空纤维膜,其特征在于,采用权利要求1-8任意一项所述的改性聚四氟乙烯中空纤维膜的制备方法制得。
10.权利要求9所述的改性聚四氟乙烯中空纤维膜在水处理领域中的应用。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200710 |