两亲性聚合物沉积法聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水改性研究.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 两亲性聚合物沉积法聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水改性研究陈江荣 刘国昌 郭春刚 李 浩 车振宁(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所 天津)摘要:以具有两亲结构的两亲性聚合物脂肪醇聚氧乙烯醚 通过回旋振荡涂覆法对疏水的聚四氟乙烯()中空纤维膜改性处理制备亲水性聚四氟乙烯膜 在膜表面形成亲水沉积层 并研究了两亲性聚合物浓度、涂覆时间、热处理时间和热处理温度对 中空纤维膜亲水性能的影响 结果表明 两亲性聚合物浓度为 涂覆时间 热处理时间和温度分别为 和 条件下制备的聚四氟乙烯中空纤维膜 纯水通量可达 /()关键词:两亲性聚合物沉积法 聚四氟乙烯 亲水化中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():():()./().:聚四氟乙烯()是综合性能非常优良的高分子材料 因此聚四氟乙烯膜被广泛应用于高温、强酸强碱等苛刻条件下的液体分离过程 同时 由于 分子结构高度对称 表面能极低 使得其具有强疏水性 导致其应用过程中水通量低 处理效率不高 限制了其在氯碱化工、医药行业和生活污水等水处理领域的应用 因此如何改善其亲水性 提高水通量对工业应用过程具有重要意义 膜的改性方法一般分为两类 一类是破坏 主链直接进行改性 这种方式常影响膜本身机械性能 另一类是将改性目标材料“黏附”到 膜上提高膜表面的亲水性 其难点在于控制黏附沉积层的均匀性和牢固性 保持膜的持久亲水性和稳定水通量 目前工业上常用的方法是在使用前采用试剂进行润湿导通 这种方式存在通量衰减明显持久性难以保证的风险 也有学者开展针对 材料亲水改性技术的研究工作 但是多存在改性环节多、流程复杂 改性处理周期长 不便于在工业中应用等问题 本研究选用两亲性聚合物脂肪醇聚氧乙烯醚对聚四氟乙烯中空纤维膜进行亲水改性 对两亲聚合物的浓度、处理时间以及后续的热处理条件等进 行 了 系 统 研 究 并 通 过 扫 描 电 子 显 微 镜()、傅里叶变换衰减全反射红外光谱()和通量测试装置等对改性膜表面的形貌结构、化学结构以及亲水性能进行了研究 实验部分 主要原料及仪器设备聚四氟乙烯()中空纤维膜:外径 内径 自制 无水乙醇:分析纯 天 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金()作者简介:陈江荣 女 年生 工程师 从事微孔分离膜的制备及改性研究 塑 料 工 业 年 津市 科 密 欧 化 学 试 剂 有 限 公 司 高 纯 氮 气:天 津 四 知 气 体 有 限 公 司 环 氧 树 脂:中石化集团巴陵石化分公司 两亲性聚合物 脂肪醇聚氧乙烯醚:重均分子量()上海阿拉丁生化科技股份有限公司回旋振荡器:江苏中大仪器科技有限公司 烘箱:天津泰斯特仪器有限公司扫描电子显微镜:日立 公司 傅里叶变换衰减全反射红外光谱():美国尼高力仪器公司 中空纤维膜组件制备将 中空纤维膜封端后 用环氧树脂胶黏剂浇铸于固体壳中 固化 后切除封端部分 得到 中空纤维膜“”型组件 如图 中所示图 中空纤维膜“”型组件示意图 “”中空纤维膜亲水改性处理将两亲聚合物脂肪醇聚氧乙烯醚用乙醇配置成一定质量分数的溶液 记为亲水改性剂 取制备好的 中空纤维膜“”型组件 用乙醇清洗后晾干将组件倒置于亲水改性剂 中 回旋震荡一定时间经氮气吹扫 去除多余处理剂 最后于烘箱中热处理 得到的样品记为 性能表征形貌表征:将真空干燥后的样品粘贴于导电胶表面 在真空状态下进行离子溅射喷金 测试电压 采用扫描电子显微镜对 中空纤维膜表面微观形貌进行表征结构表征:待测试 中空纤维膜经去离子水清洗后晾干 采用 对表面分子结构进行表征 通量测试将 中空纤维膜组件按图 方式连接到自制的外压死端过滤测试装置 进行通量调试 测试液体为纯水 测试压力 取运行 后的通量值作为测试值 记录单位时间透过液体的体积 记为 每个条件有三组平行实验 取平均值 根据公式()计算通量()式中 产水量 中空纤维膜有效面积 过滤时间 纯水通量/()图 通量测试装置示意图 结果与讨论 形貌表征处理前后的 膜形貌表征如图 所示 从图中可以看出 原膜孔道结构清晰 改性处理后中空纤维膜表面形貌结构没有明显的变化 说明亲水改性剂 对 中空纤维膜孔道结构无堵塞影响原膜图 中空纤维膜表面 图 图 为亲水改性剂 剂 中空纤维膜的红外谱图 从图中可以发现 亲水改性剂 在 和 有强吸收峰 为脂肪醇聚氧乙烯醚的 非对称和对称伸缩振动 为酯基的吸收峰 膜在 和 的吸收谱带 为聚四氟乙烯的 键的伸缩振动峰 亲水改性剂处理后的 膜在 、和 产生了新的吸收峰 分别对应与的 非对称和对称伸缩振动和酯基的吸收峰 与亲第 卷第 期陈江荣 等:两亲性聚合物沉积法聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水改性研究水改性剂特征峰吸收位置完全一致 说明亲水改性剂脂肪醇聚氧乙烯醚已成功涂覆于 膜 形成功能化亲水层图 亲水改性剂 及 中空纤维膜的红外谱图 不同处理条件对通量的影响 亲水改性剂浓度将 中空纤维膜“”型小组件置于不同质量分数的亲水改性剂中 亲水改性剂脂肪醇聚氧乙烯醚的质量分数分别为、回旋震荡 温度 取出后经氮气吹扫 将组件悬挂于烘箱中 烘干 然后进行通量测试 从图 可以看出 亲水改性剂 质量分数为 时 中空纤维膜组件水通量为 /()亲水改性剂质量分数增至 通量为 /()是未添加亲水改性剂 处理组件水通量的 倍 这主要是由于脂肪醇聚氧乙烯醚的两亲性结构 既可以牢固的沉积于膜表面 又有亲水性链段可以保持与水的亲和性 在膜表面形成水化层 水的通过阻力变小 水通量增大 继续增大亲水改性剂 质量分数 水通量变化不大 由此可见该亲水改性剂 对 膜的润湿效果良好 低浓度即可使膜保持较高的纯水通量注:指亲水改性剂 质量分数为 即无水乙醇润湿的膜图 亲水改性剂 质量分数对 膜纯水通量的影响 浸涂时间配制 的亲水改性剂 溶液 将“”型小组件置于亲水改性剂溶液中 回旋震荡不同的时间、温度 取出后经氮气吹干将组件悬挂于烘箱中 烘干 从图 中可以看出 随着浸涂时间的延长“”型小组件的纯水通量呈增大趋势 浸涂 时 通量为 /()继续延长浸涂时间通量变化不大 这可能是由于过短的浸润涂覆时间亲水改性剂 尚未完全在膜上稳定沉积 导致测试过程中亲水改性剂损失而影响通量 另一方面 亲水改性剂 未完全浸润膜内部孔道 使得部分膜面积未得到有效利用 当浸涂时间达到 时 亲水改性剂即可与膜形成较为充分稳定地结合 形成牢固的功能亲水层图 浸涂时间对 膜纯水通量的影响 热处理时间将 中空纤维膜组件分别配制质量分数 和 的亲水改性剂 溶液 回旋震荡 温度 取出后经氮气吹干 将组件悬挂于温度 的烘箱中 分别热处理、取出后进行水通量测试从图 可以发现 亲水改性剂 处理的膜热处理时间为 时通量为 /()随着热处理时间的延长通量呈上升趋势 热处理时间为 时通量为 /()热处理时间为 时 通量增大至 /()亲水改性剂 处理的膜 热处理时间为 时通量为 /()随着热处理时间的延长通量呈上升趋势热处理时间为 时通量为 /()继续延长热处理时间通量变化不大 这可能是由于短时间热处理 亲水改性剂未形成结合层 在测试过程中极易被流体冲刷造成大量的流失 也可能是亲水改性剂塑 料 工 业 年 残留在膜孔内形成堵孔效应 长时间热处理则可避免此问题 使得 膜表面形成固化的亲水层图 热处理时间对 膜纯水通量的影响 热处理温度将 中空纤维膜组件分别配制质量分数 和 的亲水改性剂 溶液 回旋震荡 温度 取出后经氮气吹干 将组件悬挂于烘箱中 分别在不同温度下热处理 取出后进行水通量测试图 为不同热处理温度对膜组件通量的影响 从图中可以看出 亲水改性剂处理的膜热处理温度为 时通量为 /()热处理温度为 时通量为 /()热处理温度为 时通量为/()呈下降趋势 亲水改性剂处理的膜随热处理温度的升高 通量也呈下降趋势 时通量为 /()时下降为 /()下降不太明显 但继续升高热处理温度至 通量下降至 /()说明过高的热处理温度下 低浓度的亲水改性剂存在明显的流失 高浓度的亲水改性剂在一定的热处理温度范围内保持较好图 热处理温度对膜组件通量的影响 结论通过两亲聚合物脂肪醇聚氧乙烯醚对聚四氟乙烯膜表面进行浸涂改性处理 亲水改性剂浓度 长时间回旋震荡涂覆时间 热处理温度 热处理时间 时 中空纤维膜纯水通量可达 /()红外谱图表明 两亲性聚合物脂肪醇聚氧乙烯醚成功地将涂覆至膜上 形成牢固的功能化亲水层 得到了亲水聚四氟乙烯中空纤维膜 改性后膜具有较高的纯水通量 为聚四氟乙烯膜的规模化亲水改性处理提供了便捷的工艺方法参 考 文 献 .():.:.张姣姣 朱海霖 郭玉海 等.基于膜蒸馏技术的 中空纤维膜处理印染反渗透浓水.水处理技术 ():.():.():.:.赵丽 何皇冕 戚伟忠 等.聚四氟乙烯膜表面处理研究进展.中国塑料 ():.():.田云霞 徐莹 王新.聚四氟乙烯膜表面的苯胺聚合沉积亲水改性研究.膜科学与技术 ():.第 卷第 期陈江荣 等:两亲性聚合物沉积法聚四氟乙烯中空纤维膜的亲水改性研究():.黄庆林 肖长发 胡晓宇.聚四氟乙烯微孔膜及其无机粒子共混膜的结构及性能.功能材料 ():.().():.陈江荣 刘国昌 张慧峰 等.中空纤维膜表面改性及组件浇铸技术研究 .塑 料 工 业 ():.():.:.徐汀 刘晓亮.聚四氟乙烯膜的亲水改性和应用进展.上海化工 ():.():.李浩 刘国昌 车振宁 等.基于仿生矿化的 中空纤维膜亲水改性研究 .塑料工业 ():.():.胡超 朱海霖 张华鹏 等.聚四氟乙烯平板膜的亲水改性研究.膜科学与技术 ():.():.李成才 张航 朱海霖 等.后交联法用于聚四氟乙烯平板膜的亲水改性.水处理技术 ():.():.:./.:.曲寒洛 许虎君.聚氧乙烯醚型高分子表面活性剂的制备及性能.精细石油化工 ():.():.冯宁 赵亭 赵永红 等.具有不同 加和数的醇醚磷酸酯盐在织物表面的应用.印染助剂 ():.():.(本文于 收到)(上接第 页).():.肖成龙 曾盛渠.线圈内置式变模温成型模具感应加热系统优化.塑料工业 ():.():.():.():.():.(本文于 收到)