CN103554545B - 一种紫外光两步接枝自动化装置 - Google Patents

Abstract

一种紫外光两步接枝自动化装置，其结构包括：一封闭的紫外光屏蔽箱，顶部的出风口安装有对紫外光屏蔽箱的箱体进行通风及降温的排气扇；紫外灯通过可伸缩支架固定在紫外光屏蔽箱内的上部，紫外灯管套设在石英水套中；紫外光屏蔽箱内部对应于紫外灯的下方，设有盛放引发剂的密封激发箱；密封激发箱的箱体两侧分别设有氮气进口和氮气出口，以及温控探头；排气扇、紫外灯、温控探头、第一抽吸泵、第一电磁流量控制阀、第二抽吸泵和第二电磁流量控制阀均连接至自控系统。本发明可用于有机膜表面接枝改性及无机基材界面聚合覆膜，激发效率高，可避免一步接枝光盲区，实现了自动化、连续化生产，并可远程操控，实现紫外线隔离。

Description

一种紫外光两步接枝自动化装置

技术领域

本发明属于高分子膜材料制备工艺及改性领域，具体涉及一种紫外光两步接枝自动化装置。

背景技术

高分子材料在各个领域都有广泛的应用，如膜过滤、衣服布料、薄膜技术、微电子设备、生物材料等。在许多应用领域，高分子材料的应用需要多种特性的结合，如物理、化学及表面特性等。作为高分子分离膜材料，既需要较高机械强度，又需要化学性质稳定，还需要表面亲水、或疏水，或带电等，以适应不同分离领域的应用。然而，很多高分子材料受本身固有性质所限，并不能同时具备多种特性，因此对高分子有机膜材料进行表面改性成为目前的研究热点。

表面改性相对于合成新型高分子材料是一种更为简单的获得新材料的方法，能获得更多的想要的特性，同时又不改变高分子材料本身的固有特性。而目前广泛应用的膜材料大多都是疏水的，这样表面能很高，不亲水。有研究表明，膜表面和过滤溶液之间的相互作用是造成膜污染的主要原因，比如蛋白质类物质就很容易粘附于膜表面。除了疏水特性，膜表面的位阻效应也会对膜污染程度产生影响，空间位阻大就能阻止蛋白质的粘附，因次对表面结构进行改性就显得十分重要。

表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。简单地讲，就是最小化不想要的膜面作用（如膜面吸附或粘附），提高膜的选择性如使膜表面具有催化特性，对异构体的选择作用，或某种生物分子的选择性。

对于膜表面改性方法的使用，需要考虑的因素主要有均匀性、重现性、稳定性、工程控制是否简便、成本是否合理以及是否能精确地接枝官能团。紫外光接枝技术对材料的穿透力差，接枝聚合可以严格地限定在材料的表面或亚表面进行。它具有不损坏材料的本体性能同时又使其具有特定的表面特性，此外紫外辐射的光源及设备成本低，易于连续化操作等优点，近年来发展快速，极具工业应用前景。

紫外光接枝按聚合步骤可以分为两步和一步法：

两步法指基材先经过处理，表面涂覆上引发剂，或者产生过氧化物等活性点，然后把处理后的基材置于单体浴中引发接枝反应。

一步法指在引发剂、单体的体系中直接聚合反应，活性种的产生和接枝聚合同时发生。

一步法光接枝反应中光敏剂对紫外线的屏蔽作用较明显，接枝率一般较低，同时在光照过程中容易出现光盲区，导致膜表面接枝不均匀现象。

相较于一步法而言，两步法将表面引发剂的形成和接枝聚合分为两步进行，可对接枝位置的数目和接枝链的链长分别控制，可控性更强，接枝效率更高，接枝更加均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外光两步接枝自动化装置，以改进公知技术中存在的接枝不均匀、接枝效率低、单体易均聚的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的紫外光两步接枝自动化装置，其结构包括：

一封闭的紫外光屏蔽箱，顶部的出风口安装有对紫外光屏蔽箱的箱体进行通风及降温的排气扇；

紫外灯通过可伸缩支架固定在紫外光屏蔽箱内的上部，紫外灯管套设在石英水套中；

紫外光屏蔽箱内部对应于紫外灯的下方，设有盛放引发剂的密封激发箱；

密封激发箱对应于紫外灯的部分是石英玻璃盖，密封激发箱的箱体两侧分别连接第一抽吸泵和第二抽吸泵，第一抽吸泵通过第一电磁流量控制阀连接连续引发槽的引发剂进口，第二抽吸泵通过第二电磁流量控制阀连接连续引发槽的引发剂出口，使引发剂在密封激发箱和连续引发槽之间循环流动，并在连续引发槽内与经滑轮牵引的膜接触连接，使膜表面产生活性点；在滑轮牵引下带有活性点的膜进入连续接枝槽进行接枝聚合反应，实现两步连续接枝；

密封激发箱的箱体两侧分别设有氮气进口和氮气出口，以及温控探头；

排气扇、紫外灯、温控探头、第一抽吸泵、第一电磁流量控制阀、第二抽吸泵和第二电磁流量控制阀均连接至自控系统。

所述的紫外光两步接枝自动化装置中，紫外灯管套设在带有冷却水的石英水套中。

所述的紫外光两步接枝自动化装置中，密封激发箱为圆形槽体，通过螺纹紧固件将石英玻璃盖固定在圆形槽体上形成密封容器，以实现引发剂与空气的隔离，紫外光透过石英玻璃盖对引发剂进行激发。

所述的紫外光两步接枝自动化装置中，自探系统为PLC自控系统，以对紫外洒激发时间、引发剂的温度进行实时监控与调节，并通过数据记录系统进行实时记录。

本发明的效果是：

1）本发明的紫外光两步接枝自动化装置，能对有机膜表面进行自动化、连续化的表面改性，为制备特殊分离性能的膜材料提供了有利的工具。

2）本发明的紫外光两步接枝自动化装置，不仅可以对膜表面实现连续化动态接枝改性，还可以远程监控，实现对紫外线的隔离，能够实现连续化、自动化、安全化的生产。

附图说明

图1是本发明的结构及流程示意图；

图2是图1中密封激发箱的剖面示意图。

图3是应用本发明的装置接枝丙烯酰胺前后无机基材表面SEM图，其中a是接枝前，b是接枝后。

图4是应用本发明的装置接枝丙烯酰胺前后无机基材表面ATR-FTIR谱图，其中a是接枝前，b是接枝后。

附图中主要组件符号说明：

1紫外光屏蔽箱，1.1排气扇；

2可伸缩紫外线发生器，2.1紫外灯，2.2石英水套，2.3可伸缩支架，2.4镇流器；

3两步接枝连续化系统，3.1密封激发槽，3.1.1圆形槽体，3.1.2密封垫圈，3.1.3石英玻璃盖，3.1.4密封环形盖，3.1.5紧固螺纹，3.2温控探头，3.3第一抽吸泵，3.4第一电磁流量控制阀，3.5连续引发槽，3.6第二电磁流量控制阀，3.7第二抽吸泵，3.8牵引滑轮，3.9连续接枝槽；

4PLC自控系统，4.1启动开关，4.2紫外灯控制系统，4.3连续接枝控制系统；

5数据记录系统。

具体实施方式

本发明的技术方案概述如下：

本发明的紫外光两步接枝自动化装置，包括能对有机膜表面及无机基材表面进行自动化、连续化的表面动态接枝改性。激发效率高，可避免一步接枝光盲区，并可远程操控，实现紫外线隔离。包括紫外光屏蔽箱1、可伸缩紫外线发生器2、两步接枝连续化系统3、PLC自控系统4及参数调控及记录系统5。紫外光屏蔽箱1为封闭箱体，上方设置的排气扇1.1连接PLC自控系统，可对箱体进行通风及降温。可伸缩紫外线发生器2包括紫外灯2.1、石英水套2.2、可伸缩支架2.3和镇流器2.4，紫外灯连接PLC自控系统，通过紫外灯控制系统4.2可对紫外灯照停时间进行设置调节。向石英水套通入冷却水可对紫外灯管进行连续降温，通过可伸缩支架可调节紫外灯与圆形激发槽之间的距离，从而对紫外光激发强度进行调节。

两步接枝连续化系统3包括密封激发箱3.1、温控探头3.2、第一抽吸泵3.3、第二抽吸泵3.7、第一电磁流量控制阀3.4、第二电磁流量控制阀3.6、连续引发槽3.5、牵引滑轮3.8、连续接枝槽3.9，通过第一抽吸泵3.3和第二抽吸泵3.7将密封激发槽中经紫外光激发的引发剂在连续引发槽中以一定流速与滑轮牵引的膜进行接触，使膜表面产生活性点，在滑轮牵引下带有活性点的膜以一定速度进入连续接枝槽进行接枝聚合反应，从而实现两步连续接枝。

密封激发槽3.1整体为一圆形槽体，通过紧固螺纹3.1.5和密封环形盖3.1.4将石英玻璃盖3.1.3固定在圆形槽体3.1.1上而构成密封容器，可实现引发剂与空气的隔离，紫外光可透过石英玻璃盖对引发剂进行激发。PLC自控系统4包括系统启动开关4.1、紫外灯控制系统4.2、连续接枝控制系统4.3，通过紫外灯控制系统4.2可对紫外灯照停、排气扇开关进行实时控制与调节。通过连续接枝系统4.3对引发溶剂温度、循环泵流速及开停时间进行实时监控与调节，并通过数据记录系统5进行实时记录。

本发明利用上述紫外光两步接枝自动化装置而进行的两步连续接枝改性具体操作步骤如下：

1）紫外线发生器开启：通过PLC自控系统的启动开关，对系统进行启动；可通过紫外灯控制系统对紫外灯的光照、停止时间进行设置，也可通过数据记录系统软件界面进行实时设置，如光照10min，停1min，以此来根据实验需要进行调整。紫外灯至激发溶剂的高度可通过可伸缩支架进行调节，以此来改变光照强度。当紫外灯开启时，往石英水套中通入冷却水对灯壁进行降温，同时紫外封闭箱上方的排气扇也可通过PLC进行开关，以对箱体进行降温及排气。

2）紫外引发两步法接枝改性：将圆形激发槽中经紫外光激发的引发剂通过抽吸泵输送至引发槽中，含有活性的引发剂与由滑轮以一定速度牵引的膜发生反应，使膜表面具有活性位点，再将具有活性点的膜以一定速度牵引至含有单体溶液的接枝槽中进行单体接枝聚合，使膜表面接枝改性。在紫外激发过程中，圆形激发槽可通过进气口往封闭槽体中通入氮气，以避免空气对引发剂激发效果的干扰。PLC中连续接枝控制系统中，通过温度设定按钮可对圆形激发槽内的引发剂进行温度调控，通过流量设定按钮可对引发槽中引发剂循环流速进行调控。膜表面引发时间和接枝时间可通过滑轮牵引速度来调节。

应用例

应用本发明的紫外光两步接枝自动化装置，对无机基材表面进行了丙烯酰胺单体的两步光接枝实验，实验选定接枝单体浓度1wt%，引发溶剂为DMAc，引发剂为BP，浓度为0.5wt%，通过接枝前后的扫描电镜可以看到，经过两步光接枝后，基材表面均匀的接枝上了丙烯酰胺单体（如图3中的a和b所示，图3中的a是接枝前，b是接枝后）。

再请参阅图4中的a和b所示，图4中的a是接枝前，b是接枝后。通过红外图谱分析发现，接枝前后基材表面红外特征吸收峰也发生了变化，在1593.1cm-1处出现了新的吸收峰，该吸收峰即为丙烯酰胺基团中N-H的特征吸收峰，也证实了基材表面成功接枝上了丙烯酰胺单体。通过EDX分析，光引发25min后，无机基材表面N质量分数可达13.096wt%。接枝效率非常高。

Claims (4)

1.一种紫外光两步接枝自动化装置，其结构包括： 

一封闭的紫外光屏蔽箱，顶部的出风口安装有对紫外光屏蔽箱的箱体进行通风及降温的排气扇； 

紫外灯通过可伸缩支架固定在紫外光屏蔽箱内的上部，紫外灯管套设在石英水套中； 

紫外光屏蔽箱内部对应于紫外灯的下方，设有盛放引发剂的密封激发箱； 

密封激发箱对应于紫外灯的部分是石英玻璃盖，密封激发箱的箱体两侧分别连接第一抽吸泵和第二抽吸泵，第一抽吸泵通过第一电磁流量控制阀连接连续引发槽的引发剂进口，第二抽吸泵通过第二电磁流量控制阀连接连续引发槽的引发剂出口，使引发剂在密封激发箱和连续引发槽之间循环流动，并在连续引发槽内与经滑轮牵引的膜接触连接，使膜表面产生活性点；在滑轮牵引下带有活性点的膜进入连续接枝槽进行接枝聚合反应，实现两步连续接枝； 

密封激发箱的箱体两侧分别设有氮气进口和氮气出口，以及温控探头； 

所述的排气扇、紫外灯、温控探头、第一抽吸泵、第一电磁流量控制阀、第二抽吸泵和第二电磁流量控制阀均连接至自控系统。 

2.根据权利要求1所述的紫外光两步接枝自动化装置，其中，紫外灯管套设在带有冷却水的石英水套中。 

3.根据权利要求1所述的紫外光两步接枝自动化装置，其中，密封激发箱为圆形槽体，通过螺纹紧固件将石英玻璃盖固定在圆形槽体上形成密封容器，以实现引发剂与空气的隔离，紫外光透过石英玻璃盖对引发剂进行激发。 

4.根据权利要求1所述的紫外光两步接枝自动化装置，其中，自控系统为PLC自控系统，以对紫外光激发时间、引发剂的温度进行实时监控与调节，并通过数据记录系统进行实时记录。