CN103551046B - 一种疏水性氨氮脱除膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种疏水性氨氮脱除膜的制备方法，该法采用向上熔融纺丝法，出丝直接进入冷却风道，无需在丝出口处增设温度梯度区，且采用梯度升温拉伸法，省去了二次或多次拉伸的繁琐工序，缩短了工艺路线、节省了能耗，降低了生产成本。此外本法制得的聚丙烯中空纤维疏水膜的特点是微孔的孔径分布均匀，孔隙率高，透气性强，能制造专门用于氨氮脱除的疏水膜，降低了膜法在脱氨氮方面的成本。

Description

一种疏水性氨氮脱除膜的制备方法

技术领域

本发明涉及用熔融-拉伸法制备聚丙烯氨氮脱除膜的方法。

背景技术

膜吸收法脱氨氮技术是一种以疏水性微孔膜为分离屏障的新型膜法除氨氮技术。由于该法所用的膜为疏水性微孔膜，只透气而不透水，所以只有挥发性物质(如氨气)才能透过膜被膜另一侧的吸收液(如硫酸)所吸收。该法设备简单，对原料液要求低，所得产物纯度高，比其他脱氨氮的工艺更具优势，故该法的市场空间巨大。

在膜吸收法脱氨氮中，疏水性微孔膜的选择至关重要。目前，膜吸收法脱氨氮所用膜材料主要有聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯和聚乙烯。在这四种膜材料中聚四氟乙烯的性能最好，然而其原材料价格昂贵，限制了其商业化应用。聚偏氟乙烯在膜吸收法脱氨氮方法的性能不及聚丙烯，聚乙烯和聚丙烯的原材料价格相差不大，然其机械性能比聚丙烯要差。因此，大力开发疏水性聚丙烯脱氨氮膜，市场前景巨大。

半结晶聚合物聚丙烯室温下无溶剂，无法用常规的溶致相分离法(TIPS)来制备膜，常用的制备聚丙烯中空纤维膜的方法有热致相法(TIPS)和熔融拉伸法(MSCS)。

在TIPS过程中，样品由高聚物与稀释剂组成，它们在高温时形成均相熔体，随后冷却时发生固-液或液-液相分离.当将稀释剂去除后即形成微孔。膜孔径可通过调节冷却条件与选择适当的稀释剂控制。但是，TIPS过程要求安装凝固浴并且要将稀释剂萃取出来，从而存在浪费稀释剂、恶化工作条件和污染环境的问题。

而熔纺拉伸法成膜过程是聚合物先在高应力下熔融挤出，然后经过拉伸形成微孔。由于拉伸法在制膜过程中不需要任何添加剂，对环境无污染，适合大规模的工业化生产。拉伸法生产成本低、应用广泛，用此法生产的膜的产值、产量远远超过热致相分离法，故加大对MSCS的研究更具经济和社会效益。

熔融-拉伸法制备多孔膜的工艺，是由美国Celanese公司的H.S.Bierenhaum等人于1974年提出并研究成功。所谓熔融纺丝-拉伸法(Meltspinning-stretching，MS-S)是指将半结晶性高聚物熔体进行熔融挤出，微孔的形成主要与聚合物材料的硬弹性有关，拉伸过程中，硬弹性材料中垂直于挤出方向而平行排列的片晶结构被拉开而形成微孔，然后通过热定型工艺固定此孔结构。

聚丙烯与聚乙烯一样同时结晶性聚合物，具有α、β、γ等多种晶型结构，但在通常加工条件下一般得到的是α晶型结构。美国专利NO.3558764和日本专利昭52-15627中分别报道了通过熔融-拉伸法制备聚丙烯中空膜的方法，其制备工艺包括熔融纺丝、牵伸、热处理、拉伸、热定型等工艺。国内的徐又一等人在其专利NO.90100317中对上述工艺进行了改变，省去了热处理和热拉伸工艺，制得了平均孔径较小的人工肾透析膜。但国内外对用于脱氨氮的聚丙烯疏水膜的制备过程还少有专利报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种聚丙烯中空纤维脱氨氮膜的制备工艺，该法使用向上熔融纺丝法，以减少重力对纺丝均匀性的影响，并且采用梯度升温拉伸法，来制备孔径分布均匀，孔隙率高，透气性强，专门用于疏水性氨氮脱除膜。

本发明的疏水性氨氮脱除膜的制备方法，具体步骤为：

1)将熔融指数为5-8g/min的聚丙烯树脂，在225-255℃温度下加热熔融；

2)将熔融后的聚丙烯挤成中空纤维状，然后直接通过冷却管道冷却，而无需先经过带有加热套的温度梯度区，冷却管道内的轴向温度梯度下降小于20℃/m，挤出过程的牵伸比在800以上；

3)将牵伸后的聚丙烯中空纤维卷绕成丝，卷绕丝在110-120℃下热处理，热处理时间≥30min；

4)将热处理后的聚丙烯中空纤维丝，以大于20mm/min的拉伸速率进行梯度升温拉伸，升温范围在140℃之内；

5)拉伸后的聚丙烯中空纤维在拉伸张力作用下进行热定型，定型温度为145-155℃，定型时间≥1h。

所述用本方法制的疏水性氨氮脱除膜的拉伸断裂强度在130-150MPa。

所述用本方法制的聚丙烯中空纤维的内径为0.62～0.68mm，壁厚在65～75μm，孔径在0.3～0.5μm，孔隙率在65％～85％，空气透气率在2×10⁶～4.5×10⁶L·m^-2·h^-1(0.5atm)左右。

本发明的有益效果：本发明是在传统的熔融-拉伸法制备聚丙烯膜的基础上进行了工艺的调整，将从喷丝板挤压出的中空纤维丝向上牵引后，直接进入冷却风道，而无需经过加热套组成的温度梯度区，并且在拉伸过程中，革除原有的二次冷热拉伸法，采用改进的梯度升温拉伸法一次拉伸成型，使得传统的制膜工艺更加简单且易于操作。本法所制备的聚丙烯脱氨氮中空膜的特点是膜的耐酸碱性强，完全符合脱氨氮法要求的在强酸碱条件下工作的要求。在膜吸收法脱氨氮方面的使用效果非常好。

附图说明

图1为本发明实施1制得的中空纤维膜的扫描电镜照片图。

图2为本发明实施2制得的中空纤维膜的扫描电镜照片图。

图3为本发明实施3制得的中空纤维膜的扫描电镜照片图。

图4为本发明实施4制得的中空纤维膜的扫描电镜照片图。

图5为本发明实施5制得的中空纤维膜的扫描电镜照片图。

图6为本发明实施6制得的中空纤维膜的扫描电镜照片图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明的疏水性氨氮脱除膜的制备方法，具体步骤为：

1)将熔融指数为5-8g/min的聚丙烯树脂，在225-255℃温度下加热熔融；

2)将熔融后的聚丙烯挤成中空纤维状，然后直接通过冷却管道冷却，而无需先经过带有加热套的温度梯度区，冷却管道内的轴向温度梯度下降小于20℃/m，挤出过程的牵伸比在800以上；

3)将牵伸后的聚丙烯中空纤维卷绕成丝，卷绕丝在110-120℃下热处理，热处理时间≥30min；

4)将热处理后的聚丙烯中空纤维丝，以大于20mm/min的拉伸速率进行梯度升温拉伸，升温范围在140℃之内；

5)拉伸后的聚丙烯中空纤维在拉伸张力作用下进行热定型，定型温度为145-155℃，定型时间≥1h。

优选的技术方案，本方法制的疏水性氨氮脱除膜的拉伸断裂强度在130-150MPa。

优选的技术方案，用本方法制的疏水性氨氮脱除膜的内径为0.62～0.68mm，壁厚在65～75μm，孔径在0.3～0.5μm，孔隙率在65％～85％，空气透气率在2×10⁶～4.5×10⁶L·m^-2·h^-1(0.5atm)左右。

聚丙烯熔融纺丝工序的料液挤出线速度由计量泵的转速和喷丝头的挤出横断面共同决定，喷丝头采用的是备有气体导入孔的套管式结构。气体通向中空纤维内部的方式采用压入式，所通入的气体为压缩空气，压力范围为20～40mm水柱。当中空纤维从喷丝头挤出时，直接进入风冷筒冷却，冷风的温度以使得丝卷绕后粗细比较均匀为宜，风温太低能耗大，风温太高则难以保证中空纤维充分冷却，丝在卷绕后就难以保持均匀的外形。

另外，为了使中空纤维具有一定的结晶度和取向度，应该尽可能的增大牵伸比(卷绕线速度与料液挤出线速度之比)。本发明的牵伸比应大于800，最好在1200左右，喷丝头的挤出横截面积在0.2cm²左右。

经卷绕后得到的初生中空纤维丝，需要经过热处理工艺以提高其结晶度，一般在110～150℃下进行热处理，热处理时间≥1h，经热处理后的初生丝的结晶度、取向度和弹性回复率都得到大幅度地提高，结晶度从38％提高到68％，弹性回复率从46％提高到88％左右。

本专利的最大特点在于改进了原有的拉伸工艺，原有的拉伸工艺一般分为冷拉伸和热拉伸两个阶段进行，而本工艺与之不同的是采用梯度升温拉伸法，在拉伸的同时温度不断升高，升温范围在50～145℃之间，拉伸倍率控制在250％～450％之间，拉伸速率大于20mm/min。最后一步的热定型温度控制在135℃～155℃之间，定型时间大于1h。

1.孔隙率

取一定长度的初生中空纤维1，放入干燥器中恒重测得其内外径，得到纤维体积，同时得到纤维的质量m，由质量除以体积，即可得到中空纤维密度ρ。，同样可得到拉伸后的中空纤维的密度ρ，由下式可算出孔隙率(Pr)：

$P_r=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0-\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\×100\%$

2.纤维的结晶度

片晶的形成对分离膜的性能有很大影响，因此结晶度是我们评价工艺效果的一个重要参数，测结晶度的方法有很多，我们采取比较简便的方法，即用差热扫描仪(DSC，型号：PERKIN-ELMERDSC-7)测得样品熔融曲线，通过熔融峰面积可算出样品的比熔融焓Hs，然后与完全结晶的PP比熔融焓Ho比较，得到样品的结晶度，完全结晶的PP熔融比热焓数值有不同的报道，从65.4J/g到118J/g，则样品结晶度Xc：

$X_c=\frac{H_s}{H_0}\×100\%$

同时得到样品的熔点Tm和熔融范围。

3.弹性恢复率

采用电子拉伸机(AG-SOOA型岛津电子拉力实验机)测试中空纤维的弹性回复率ER％。测试条件：测试温度为20℃，拉伸速度为0.5～500mm/min，纤维拉伸前的长度为5cm。

$\mathrm{ER}\%=\frac{L-L^{\′}}{L-\mathrm{Lo}}\×100\%$

其中，L为拉伸后试样的总长度，L′为回复后试样的长度，Lo为试样拉伸前的长度。

4.透气率

制样：用胶(环氧树脂或聚氨酯)将一束己知内外径和长度的中空纤维封入一有机玻璃管中，形成组成一根组件，然后在气罐与组件之间安装气体缓冲罐用以保证通入组件中气体压力的稳定，在组件入口处通入一定压力(ΔP)的气体，出口处则通过橡胶管与皂沫流量计连接，则可以精确测定一定时间t下膜组件所透过的气体体积v，则膜的气体渗透速率J可表示为：

$J=\frac{v}{\mathrm{ts\ΔP}}$

其中S为气体分离膜有效膜面积，可通过下式计算：

其中n为封入组件中的膜丝根数，L为每根膜丝长度。

实施例1

将熔融指数为5.0g/10min的聚丙烯树脂进行熔融纺丝，纺丝条件如下：通过供气管向套管式中空喷丝头内通入压缩空气压力为30mm水柱。纺丝温度为225℃，中空纤维的卷绕线速度为70m/min，牵伸比为1100.所得初生丝的外径为0.68mm，壁厚78μm。将卷绕得到的初生丝在140℃下，处理5小时，冷却后进行拉伸，此时中空丝的弹性回复率为82％。拉伸条件为：从50℃时开始拉伸，拉伸速率为25mm/min，此时温度也慢慢升高，当拉伸率为350％时，温度刚好升到135℃。然后在定长条件下将拉伸后的中空纤维置于145℃的鼓风烘箱内，定型30min后，即可制得所需的中空纤维膜。

如此获得的中空纤维膜的性质示于表1中，扫描电镜照片如图1所示。

实施例2

将熔融指数为5.0g/10min的聚丙烯树脂进行熔融纺丝，纺丝条件如下：通过供气管向套管式中空喷丝头内通入压缩空气压力为30mm水柱。纺丝温度为235℃，中空纤维的卷绕线速度为100m/min，牵伸比为1200.所得初生丝的外径为0.64mm，壁厚76μm。将卷绕得到的初生丝在140℃下，处理5小时，冷却后进行拉伸，此时中空丝的弹性回复率为85％。拉伸条件为：从50℃时开始拉伸，拉伸速率为25mm/min，此时温度也慢慢升高，当拉伸率为300％时，温度刚好升到135℃。然后在定长条件下将拉伸后的中空纤维置于145℃的鼓风烘箱内，定型30min后，即可制得所需的中空纤维膜。

如此获得的中空纤维膜的性质示于表1中，扫描电镜照片如图2所示。

实施例3

将熔融指数为6.0g/10min的聚丙烯树脂进行熔融纺丝，纺丝条件如下：通过供气管向套管式中空喷丝头内通入压缩空气压力为30mm水柱。纺丝温度为225℃，中空纤维的卷绕线速度为90m/min，牵伸比为1200.所得初生丝的外径为0.66mm，壁厚76μm。将卷绕得到的初生丝在140℃下，处理5小时，冷却后进行拉伸，此时中空丝的弹性回复率为82％。拉伸条件为：从50℃时开始拉伸，拉伸速率为25mm/min，此时温度也慢慢升高，当拉伸率为300％时，温度刚好升到135℃。然后在定长条件下将拉伸后的中空纤维置于145℃的鼓风烘箱内，定型30min后，即可制得所需的中空纤维膜。

如此获得的中空纤维膜的性质示于表1中，扫描电镜照片如图3所示。

实施例4(比较例)

除中空纤维丝的拉伸率变为250％外，其余重复实例1的步骤制备中空纤维丝。如此获得的中空纤维膜的性质示于表1中，扫描电镜照片如图4所示。

实施例5(比较例)

除中空纤维丝的卷绕线速率变为130m/min，牵伸比为1400外，其余重复实例2的步骤制备中空纤维丝。

如此获得的中空纤维膜的性质示于表1中，扫描电镜照片如图5所示。

实施例6(比较例)

除中空纤维丝的热处理温度变为130℃外，其余重复实例3的步骤制备中空纤维丝。

表1为实施1-实施6获得的中空纤维膜的性质

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种疏水性氨氮脱除膜的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

1)将熔融指数为5-8g/min的聚丙烯树脂，在225-255℃温度下加热熔融；

2)将熔融后的聚丙烯挤成中空纤维状向上拉伸，然后直接通过冷却管道冷却，而无需先经过带有加热套的温度梯度区，冷却管道内的轴向温度梯度下降小于20℃/m，挤出过程的牵伸比在800以上；

3)将牵伸后的聚丙烯中空纤维卷绕成丝，卷绕丝在110-120℃下热处理，热处理时间≥30min；

4)将热处理后的聚丙烯中空纤维丝，以大于20mm/min的拉伸速率进行梯度升温拉伸，升温范围在140℃之内；

5)拉伸后的聚丙烯中空纤维在拉伸张力作用下进行热定型，定型温度为145-155℃，定型时间＝30min；聚丙烯中空纤维的拉伸断裂强度在130-150MPa；聚丙烯中空纤维的内径为0.62～0.68mm，壁厚在65～75μm，孔径在0.3～0.5μm，孔隙率在65％～85％，空气透气率在2×10⁶～4.5×10⁶L·m^-2·h^-1/0.5atm。

2.根据权利要求1所述疏水性氨氮脱除膜的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

1)将熔融指数为5g/min的聚丙烯树脂，在225℃温度下加热熔融；

2)将熔融后的聚丙烯挤成中空纤维状，然后直接通过冷却管道冷却，而无需先经过带有加热套的温度梯度区，冷却管道内的轴向温度梯度下降小于20℃/m，挤出过程的牵伸比为1100，所得初生丝的外径为0.68mm，壁厚78μm，此时中空丝的弹性回复率为82％；

3)将牵伸后的聚丙烯中空纤维卷绕成丝，卷绕丝在110℃下热处理，热处理时间为5小时；

4)将热处理后的聚丙烯中空纤维丝，温度在50℃时开始以25mm/min的拉伸速率进行梯度升温拉伸；

5)拉伸后的聚丙烯中空纤维在拉伸张力作用下进行热定型，定型温度为145℃，定型时间为30min后即可制得所需的中空纤维膜。

3.根据权利要求1所述疏水性氨氮脱除膜的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

1)将熔融指数为5g/min的聚丙烯树脂，在235℃温度下加热熔融；

2)将熔融后的聚丙烯挤成中空纤维状，然后直接通过冷却管道冷却，而无需先经过带有加热套的温度梯度区，冷却管道内的轴向温度梯度下降小于20℃/m，挤出过程的牵伸比为1200，所得初生丝的外径为0.64mm，壁厚76μm；

3)将牵伸后的聚丙烯中空纤维卷绕成丝，卷绕丝在120℃下热处理，热处理时间5小时；

4)将热处理后的聚丙烯中空纤维丝，以大于20mm/min的拉伸速率进行梯度升温拉伸，升温范围在135℃；

5)拉伸后的聚丙烯中空纤维在拉伸张力作用下进行热定型，定型温度为145℃，定型时间30min后，即可制得所需的中空纤维膜。