CN103194058A - 一种高导热透湿膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热透湿膜及其制备方法。高导热透湿膜包括膜基材及高导热填料，高导热填料在膜基材和高导热填料总量中的含量为1-10wt%，余量为膜基材。其制备方法包括如下步骤：1.配置浇铸液：将膜基材与高导热填料按比例溶于相应溶剂中配置成浇铸液，加热并用超声波震荡搅拌均匀待用。2.干法制膜：对浇铸液进行刮膜处理，将膜厚度控制在150-250μm,然后将该膜放在空气中24小时使溶剂自然挥发；或者湿法制膜:对浇铸液进行刮膜处理，将膜的厚度控制在150-250μm,然后将该膜投入凝胶浴中湿法成膜，5-10分钟后取出，放入纯净水中静置30-50小时去溶剂后再干燥处理。利用本发明生产的高导热透湿膜，具有较高导热系数，在保证膜的高选择性时，同时具有高的全热回收效率。

Description

一种高导热透湿膜及其制备方法

技术领域

    本发明涉及空气除湿领域，具体涉及一种高导热透湿膜及其制备方法。

背景技术

     随着能源危机及人们对空气品质的要求，提高能源利用率并改善空气品质成为当下人们关注的焦点。增大新风量是一种最常用的改善室内空气品质的方法，然而，处理新风的能耗占到空调总能耗的30-40%，在我国南方热湿的夏天这个能耗还要更大。为了能更有效的节约能源，近来空调科研工作者不断寻求一种低能耗的热湿回收过程。膜法热湿回收及除湿由于无腐蚀、系统可靠性高，能耗小等优点引起人们的极大兴趣。

全热换热器是新风全热回收的一个关键技术。这个装置就像在新风通道与室内排风通道之间安装了一个平板式空空换热器。夏天室外新风往往湿且热，室内排风干且凉，新风与排风在全热交换器内交换热量与水分后新风能到达接近于室内空气的状态，节约了新风除湿制冷所需的负荷；冬天新风干且冷，而室内排风暖且湿润，经过全热交换器后，新风变暖变湿，也达到接近室内空气的状态，节约加热加湿能耗，同时节约新风负荷，使空调处理新风的能耗节约了60%-80%。与传统的金属换热器的优点是：这种膜能够回收显热，同时能够有效回收潜热。

目前全热回收普遍采用的是全热转轮，也有人尝试采用纸为交换媒介的换热器，这两种技术都可以同时回收显热和潜热，提高回收效率，但是，转轮造价很高，可靠性差，新风和排风容易相互参杂，二是采用纸为媒介的回收器不仅回收效率低，而且容易发生新风和排风之间的混合和泄漏，在冬天运行时，凝结冰对纸有破坏性，这些缺点限制了它们的发展。有人采用类似液体吸收除湿与再生实现新风热湿回收，取得较好效果。不过液体吸收除湿最大的问题是它对管道、换热器的腐蚀性问题，即飞沫问题。随着膜技术的发展，利用膜进行空气除湿与热湿回收的技术日渐引起人们的重视。用于空气除湿与热湿回收的膜一般是亲水性膜，膜的种类可以是有机膜、无机膜。

中国专利201010286229.8公开了一种高选择性非对称透湿膜的制备方法和应用，其除湿效率及选择性相对于固体复合膜有很大的提高，同时该制备方法工艺简单、易操作、节能且制备过程环保。日本专利JP11090194公开了一种采用聚醚酰亚胺做除湿膜，该除湿膜是一种中空纤维膜，该中空纤维膜由聚醚、酰亚胺-聚醚酰亚胺、酰亚胺混合而成，该膜的内表面涂上一层聚乙烯吡咯烷酮或涂一层保湿剂，该膜能有效地抑制空穴的形成，并且能够提高耐久力。

由于现有除湿膜（透湿膜）的最大缺点就是导热系数很小，在保证膜的高选择性时无法保证高的热量回收，即全热回收效率低。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷与不足，提供一种高导热高选择性的透湿膜，并提供该透湿膜的制备方法，该制备方法采用一步法配置成膜溶液，在成膜过程中自动实现高导热骨架及非对称透过性。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种高导热透湿膜，由膜基材和高导热填料组成。

高导热填料在膜基材和高导热填料总量中的含量为1-10 wt%，余量为膜基材。

膜基材为聚酰胺、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、改性聚偏氟乙烯及聚乙二醇中的任意一种聚合物。

高导热填料为碳纳米管、石墨烯、氮化铝、氮化硼、碳化硅、膨胀石墨及石墨中的任意一种材料。

一种高导热透湿膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）配置浇铸液：将膜基材与高导热填料按比例溶于相应溶剂中配置成混合溶液，加热并用超声波震荡搅拌均匀待用；

（2）制膜：

干法制膜：对浇铸液进行刮膜处理，将膜的厚度控制在150-250um, 然后将该膜放在空气中24小时使溶剂自然挥发；

湿法制膜:对浇铸液进行刮膜处理，将膜的厚度控制在150-250um, 然后将该膜投入凝胶浴中湿法成膜，5-10分钟后取出，放入纯净水中静置30-50小时去溶剂后再干燥处理。

步骤（1）中优选溶剂为二甲基甲酰胺或二乙基甲酰胺。

步骤（2）中优选凝胶浴为2-4wt%的异丙醇水溶液。

导热骨架的形成是实现膜的高导热性的关键，也是提高全热回收效率重要的因素。在膜的全热回收过程中，热量的传导基本上都是通过膜骨架来完成的，因此提高膜材料的导热系数非常重要。另外，皮层是实现选择性和渗透性的关键。皮层中水蒸气以吸附扩散的机理进行传递。皮层材料的亲水性决定水蒸气在膜中的吸附能力强弱，膜的亲水性越好，吸附作用越强，越有利于渗透。水蒸气在固体中的扩散系数为10^-8cm²/s, 小的扩散速率严重影响水蒸气的渗透，所以皮层越薄，水蒸气在固体中的扩散就越容易，这样更有利于水蒸气在膜中的渗透。因此，选择合适的高导热填料、膜材料和制备工艺，使膜既能保证选择渗透性又能同时保证高的全热回收效率是制备空气全热回收除湿膜的关键。

利用本发明生产的高导热透湿膜，不仅可以实现空气的全热回收及空气除湿，以及热湿回收，还可广泛用于各种领域，如：新风全热回收技术、空调节能技术、化工冶金，生物工程、水处理技术等领域。

本发明的高导热透湿膜制备方法主要采用纳米级高导热填料，通过相转化技术完成制备，制备过程中选用了湿法相转化技术和干法相转化技术。本发明主要选用亲水性聚合物作为制备膜的固含量，根据聚合物及导热填料的特点和性质来决定溶剂、添加剂及凝胶介质。溶剂、添加剂及凝胶介质选取原则是聚合物具有很好的相容性，并和导热填料具有一定的适应性，尽量无毒或低毒。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明的一种全热回收和空气除湿的透湿膜，对该膜的导热系数的测试表明添加质量分数为10%高导热填料的透湿膜其导热系数是未添加导热填料的2-9倍。

（2）该膜用于除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.1-2倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.1-2.2倍。

（3）本发明在达到高的导热系数和透湿性要求的同时，只用了一步成膜工艺，与现有技术相比，该方法工艺简单、易操作、节能且制备过程环保。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：

将1g 碳纳米管填料和9g 聚偏氟乙烯粉末溶于100ml的N,N-二甲基甲酰胺中，50℃加热搅拌5小时,随后在120W的超声波功率下震荡30分钟。把溶液涂在洁净的玻璃板上，用刮刀控制膜的厚度为150um，立即投入凝胶浴中湿法成膜，所用凝胶介质为2-4wt%的异丙醇水溶液。8分钟后把膜从玻璃板上揭下来，放在纯净水中静止48小时去溶剂。去溶剂后的薄膜用玻璃板压平，在60℃干燥4小时后即制得高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为10%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的2倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.05倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.07倍。

实施例2：

将1g 石墨烯填料和9g改性聚偏氟乙烯粉末溶于100 ml的N,N-二甲基甲酰胺中，60℃加热搅拌4小时,随后在120 W的超声波功率下震荡30分钟。把溶液涂在洁净的玻璃板上，用刮刀控制膜的厚度为150um，立即投入凝胶浴中湿法成膜，所用凝胶介质为水。8分钟后把膜从玻璃板上揭下来，放在纯净水中静止48小时去溶剂。去溶剂后的薄膜用玻璃板压平，在60℃干燥4小时后即制得高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为10%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的9倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的2倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的2.2倍。

实施例3：

将0.1g氮化铝填料和10g聚乙二醇粉末溶于100ml的N,N-二甲基乙酰胺中，10℃加热搅拌2小时,随后在80W的超声波功率下震荡40分钟。将无纺布铺在玻璃板上，再把溶液涂在无纺布上，用机械涂抹机控制膜的厚度为250um。把溶剂自然挥发后形成的膜，在置于热风干燥箱中调节温度到80℃进一步干燥2小时，干燥后即为高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为1%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的2倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.05倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.07倍。

实施例4：

将0.5g 碳化硅填料和10g聚酰亚胺溶于100ml的N,N-二甲基甲酰胺中，50℃加热搅拌4小时,随后在220 W的超声波功率下震荡30分钟。把溶液涂在洁净的玻璃板上，用刮刀控制膜的厚度为150um，立即投入凝胶浴中湿法成膜，所用凝胶介质为水。6分钟后把膜从玻璃板上揭下来，放在纯净水中静止48小时去溶剂。去溶剂后的薄膜用玻璃板压平，在55℃干燥4小时后即制得高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为4.8%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的4倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.1倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.2倍。

实施例5：

将0.8g氮化硼填料和10g聚偏氟乙烯粉末溶于100ml的N,N-二甲基甲酰胺中，50℃加热搅拌5小时,随后在150W的超声波功率下震荡30分钟。把溶液涂在洁净的玻璃板上，用刮刀控制膜的厚度为150um，立即投入凝胶浴中湿法成膜，所用凝胶介质为水。7分钟后把膜从玻璃板上揭下来，放在纯净水中静止48小时去溶剂。去溶剂后的薄膜用玻璃板压平，在60℃干燥4小时后即制得高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为7.4%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的5.2倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.22倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.38倍。

实施例6：

将0.9g 膨胀石墨填料和10g改性聚偏氟乙烯粉末溶于100ml的N,N-二乙基甲酰胺中，60℃加热搅拌4小时,随后在200W的超声波功率下震荡30分钟。把溶液涂在洁净的玻璃板上，用刮刀控制膜的厚度为150um，立即投入凝胶浴中湿法成膜，所用凝胶介质为水。8分钟后把膜从玻璃板上揭下来，放在纯净水中静止48小时去溶剂。去溶剂后的薄膜用玻璃板压平，在60℃干燥4小时后即制得高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为8.3%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的7倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.5倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.56倍。

实施例7：

将0.4g纳米石墨片填料和10g聚酰胺溶于100ml的N,N-二甲基甲酰胺中，50℃加热搅拌4小时,随后在150W的超声波功率下震荡30分钟。将无纺布铺在玻璃板上，再把溶液涂在无纺布上，用机械涂抹机控制膜的厚度为250um。把溶剂自然挥发后形成的膜，在置于热风干燥箱中调节温度到70℃进一步干燥2小时，干燥后即为高导热透湿膜。

所形成的膜中，高导热填料的质量含量为3.8%。采用DRPL-I 导热系数测量仪对样品的热性能进行测试，另外，作为对比例，采用相同方法制得不含高导热填料的透湿膜。结果表明，通过加入碳纳米管填料制备的导热透湿膜的导热系数是不添加导热填料的3.5倍。利用该膜对空气进行除湿与热湿回收时，显热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.25倍，潜热回收效率是未添加导热填料透湿膜的1.36倍。

Claims (7)

1.一种高导热透湿膜，其特征在于，由膜基材和高导热填料组成。

2.根据权利要求1所述的高导热透湿膜，其特征在于，高导热填料在膜基材和高导热填料总量中的含量为1-10 wt%，余量为膜基材。

3.根据权利要求2所述的高导热透湿膜，其特征在于，膜基材为聚酰胺、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、改性聚偏氟乙烯及聚乙二醇中的任意一种聚合物。

4.根据权利要求2或3所述的高导热透湿膜，其特征在于，高导热填料为

碳纳米管、石墨烯、氮化铝、氮化硼、碳化硅、膨胀石墨及石墨中的任意一种材料。

5.一种高导热透湿膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）配置浇铸液：将膜基材与高导热填料按比例溶于相应溶剂中配置成浇铸液，加热并用超声波震荡搅拌均匀待用；

（2）制膜：

干法制膜：对浇铸液进行刮膜处理，将膜的厚度控制在150-250um, 然后将该膜放在空气中24小时使溶剂自然挥发；

湿法制膜:对浇铸液进行刮膜处理，将膜的厚度控制在150-250um, 然后将该膜投入凝胶浴中湿法成膜，5-10分钟后取出，放入纯净水中静置30-50小时去溶剂后再干燥处理。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述溶剂为N, N-二甲基甲酰胺或N, N-二乙基甲酰胺。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述凝胶浴为2-4wt%的异丙醇水溶液。