离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合微孔膜及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料化学膜技术应用领域,具体涉及一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜及其制备方法。
背景技术
聚偏氟乙烯(PVDF)是一种半结晶型聚合物,其玻璃化转变温度为-39oC,结晶熔点为160oC,热分解温度在316oC以上,其中C—F键长度短,键能高,具有非常好的热稳定性、耐腐蚀性以及优良的抗紫外线照射性能。但是PVDF本身极强的C—F键致使它的表面亲水性较差,导致聚偏氟乙烯膜易被污染,严重限制了聚偏氟乙烯膜在许多领域的应用,比如:生化、医药、饮料、净水等领域。为了降低膜污染、延长寿命和提高通量,使其更适于生化、医药、饮料、净水等领域的使用,需要对PVDF膜进行改性。
通过无机纳米粒子与PVDF共混制备PVDF复合多孔膜,由于其操作方便反应条件温和,引起了广泛的关注。共混改性后的高分子材料化学稳定性、机械强度和热稳定性等方面显著得到了提高。其中TiO2由于其良好的亲水性,化学稳定性,抗菌性及无毒性引起了特别关注。共混纳米TiO2粒子改性PVDF膜被广泛的研究,用来改善膜的亲水性,热稳定性,机械强度,抗污染性,抗菌性和光催化性能。但是,采用纳米TiO2粒子改性后的PVDF复合多孔膜仍存在一些明显的缺点。比如,易团聚,导致膜的机械强度伸长率下降。因此,需要重新设计用做共混膜改性的纳米TiO2粒子的结构,以便克服上述缺点。
离子液体本身作为一种绿色环保催化剂和反应溶剂一直受到国内外学者的重视。但离子液体在使用过程中的回收,特别是在水处理过程中会溶于水而无法回收。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜及其制备方法。本发明制备工艺简单,易于操作,不需要昂贵的仪器,易于工业化实施;所制得的离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜具有良好的抗污染性能,且保持了聚偏氟乙烯的主链结构不被破坏,即保留聚偏氟乙烯膜的良好的物理性能,在重金属离子去除、水处理等应用中,还表现出离子液体独有的特性。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)离子液体修饰的TiO2纳米粒子的制备:
①移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;
②将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌至均匀,加热回流8-10h,用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3-5次,真空恒温干燥得到离子液体修饰的TiO2纳米粒子;
(2)用离子液体修饰的TiO2纳米粒子制备PVDF复合多孔膜
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子和成孔剂溶于有机溶剂中,配成铸膜液,60-75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
步骤(1)所述的钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体的摩尔比为2:1-1:2。
步骤(1)加热回流的温度为80-100℃。
步骤(1)中A溶液中钛酸正丁酯的质量分数为5%-10%,B溶液中羧基功能化离子液体的质量分数为5%-10%
步骤(2)所述的成孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇类聚合物、氯化钾、氯化锂中的一种或多种。
步骤(2)所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种。
步骤(2)所述的铸膜液中聚偏氟乙烯聚合物粉末所占比例为8-25wt%,离子液体修饰的TiO2纳米粒子所占比例为2-8wt%,成孔剂所占比例为4-6wt%。
步骤(2)所述的凝固浴温度为30-65℃。
本发明的有益效果在于:
(1)与TiO2纳米颗粒/PVDF改性膜相比,本发明制得的离子液体修饰的TiO2纳米颗粒/PVDF改性膜中,改性后的TiO2纳米颗粒在膜上的分散性较好,不会出现明显的TiO2纳米颗粒的团聚现象;而且由于离子液体的引入,离子液体修饰的TiO2纳米颗粒能够牢牢的束缚在膜的微孔中,使得TiO2纳米颗粒在膜过滤过程中不易流失;
(2)与纯PVDF膜和TiO2纳米颗粒/PVDF共混膜相比,接触角实验结果表面,离子液体修饰的TiO2纳米颗粒/PVDF改性膜具有较好的亲水性,同时,改性膜的亲水性质也改善了膜通量及其抗污染性能;
(3)离子液体的回收问题得到了解决;
(4)该方法制备的离子液体修饰的TiO2纳米颗粒/PVDF微孔膜具有以下优点:①优良的稳定性能;②良好的机械性能;③良好的自清洁抗污染性能;④离子液体不易流失。
附图说明
图1是离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜的XPS图;M0:PVDF原膜;M1:PVDF/TiO2共混膜;M3:离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF共混膜;
图2是离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜的接触角变化;M0:PVDF原膜;M1:PVDF/TiO2共混膜;M2:PVDF/离子液体共混膜;M3:离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF共混膜。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明,本发明列举以下实施例,但本发明不限于以下实施例。
实施例1
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为2:1;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流8h,反应温度为80℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)一种离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子和聚乙烯吡咯烷酮溶于有机N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为15%,含离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子质量分数为5%,含聚乙烯吡咯烷酮质量分数为4%的铸膜液,68℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为49℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,即得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例2
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流9h,反应温度为80℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤4次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子和氯化钾溶于N,N-二甲基乙酰胺中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为8%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为2%,含氯化钾质量分数为5%的铸膜液,60℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为30℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例3
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为80℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤5次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子和氯化锂溶于N-甲基吡咯烷酮中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为25%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为8%,含氯化锂质量分数为6%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到用离子液体修饰二氧化钛改性的PVDF微孔膜。
实施例4
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1.5:1;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为80℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为12%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为4%,含聚乙二醇质量分数为6%的铸膜液,65℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为55℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干即得到用离子液体修饰二氧化钛改性的PVDF微孔膜。
实施例5
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1.5;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为100℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙烯吡咯烷酮溶于N,N-二甲基甲酰胺中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为16%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为6%,含聚乙烯吡咯烷酮质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为55℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例6
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1.2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为90℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为15%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为4%,含聚乙二醇质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例7
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为90℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为19%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为4%,含聚乙二醇质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例8
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1.2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为90℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为19%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为2%,含聚乙二醇质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例9
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1.2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为90℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为19%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为4%,含聚乙二醇质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例10
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1.2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为90℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为19%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为6%,含聚乙二醇质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
实施例11
(1)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子的制备
移取钛酸正丁酯溶于无水乙醇中,混合均匀,记为A溶液;取羧基功能化离子液体及蒸馏水溶于无水乙醇中,混合均匀,记为B溶液;其中,钛酸正丁酯与羧基功能化离子液体摩尔比为1:1.2;
将B溶液逐滴滴入A溶液中,滴完后搅拌反应,加热回流10h,反应温度为90℃;用旋转蒸发仪蒸干溶剂,然后用丙酮洗涤3次,经真空恒温干燥得到离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子;
(2)离子液体修饰的二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜的制备
将聚偏氟乙烯聚合物粉末、离子液体修饰二氧化钛纳米粒子和聚乙二醇溶于二甲基亚砜中,配成含聚偏氟乙烯聚合物质量分数为19%,含离子液体修饰二氧化钛纳米粒子质量分数为8%,含聚乙二醇质量分数为5%的铸膜液,75℃搅拌至均匀;溶液冷却、脱泡、刮膜,放入去离子水凝固浴中,温度为65℃,去除溶剂后用去离子水清洗自然晾干,得到一种离子液修饰二氧化钛纳米粒子/PVDF复合多孔膜。
图1是离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜的XPS图;M0:PVDF原膜;M1:PVDF/TiO2共混膜;M3:离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF共混膜;
和PVDF原膜的XPS曲线对比,PVDF/TiO2共混膜XPS曲线中出现了Ti元素的吸收峰,离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF共混膜的XPS曲线中不仅出现了Ti元素的吸收峰,同时还出现了离子液体中所特有的Cl元素的吸收峰。
图2是离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF复合多孔膜的接触角变化;M0:PVDF原膜;M1:PVDF/TiO2共混膜;M3:离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF共混膜。
和PVDF原膜的接触角变化趋势对比,离子液体修饰的TiO2纳米粒子/PVDF共混膜的接触角在50s内从88.5o降低到了0o。
以上所述仅为本发明较佳实例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。