CN105644085A - 多层复合纳米纤维膜及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多层复合纳米纤维膜及其应用，该复合纤维膜拥有高的截留效率，较低的阻力，可广泛应用于空气净化、油水分离及料液脱盐等领域。该多层复合结构的纳米纤维膜由不同直径的高分子纳米纤维构成，直径从10nm-10μm渐变，分离功能从粗效到高效，对PM2.5、PM10粉尘颗粒的去除率达100%，对噬菌体的去除率大于99.9%。在膜蒸馏过程中的水通量可达10-100LMH，截盐率大于90%。对含油废水处理，其脱油效率大于90%。

Description

多层复合纳米纤维膜及其应用
技术领域
本发明涉及一种多层复合结构的纳米纤维膜，可应用于空气净化、油水分离和料液脱盐。
背景技术
纳米纤维膜，因其纤维直径达到纳米级，具有超大的比表面积、较高的孔隙率、纤维表面易于功能化等优点，已广泛应用于空气过滤和物料分离等分离膜领域。纳米纤维直径和填充率是影响纳米纤维膜空气过滤性能最重要的参数。纤维越细，填充得越密实、越均匀，所能过滤的粒子越小，过滤效率越高，但相应的过滤阻力也越大。传统的纤维过滤材料孔径一般在十至几十微米之间，对PM2.5过滤效率低。利用静电纺丝方法可以得到直径为几十或几百纳米的纳米级纤维，所制得的纳米纤维膜拥有独特的超高比表面积、孔径的内部连通性及高表面吸附性，使得微小颗粒极易被截留，能够100%去除空气中1~5μm微粒。专利CN103480285A、CN103952783A、CN104722216A、CN104785018A、CN104711771A、CN103866492A和CN103263856A等采用静电纺高分子纳米纤维膜用作空气过滤、油水分离和膜蒸馏。
然而静电纺纳米纤维膜存在机械强度低、过滤阻力大等问题，在工业化应用中有待优化。为了降低过滤阻力，同时保持较高的过滤效率，设计纤维丝直径递进合理的复合膜，即将厚度适当的纳米纤维膜与纤维丝直径稍大的粗纤维膜复合起来，设计多层粗细纤维嵌套的复合纤维膜，达到高效低阻的分离效果。为此，我们设计复合多层过滤膜，用来净化空气，膜蒸馏脱盐和油水分离。复合多层过滤膜的其中一层为多孔微米纤维层，用于粗过滤和支撑增强作用；第二层为纳米功能截留层，用于高效过滤;基底层是大孔微米纤维层，为复合介质提供机械强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层复合结构的高分子纤维膜及其在空气净化、油水分离及料液脱盐方面的应用。
本发明提供如下的技术方案：
一种多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，
(a)具有支撑层和形成于其上的截留功能层的多层结构。
(b)所述的截留功能层和支撑层都是高分子纤维交错形成的多孔结构。
(c)所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜的孔隙率大于60%。
(d)所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜的空气透过率大于200L/(m2·s)。
(e)所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜单位面积的重量小于300g/m2。
其中，所述的构成截留功能层的高分子纤维直径D1为10纳米~500纳米；构成支撑层的高分子纤维直径D2为100纳米~10微米;其中D1≤D2,即构成截留功能层的高分子纤维直径小于构成支撑层的高分子纤维直径。
其中，所述的截留功能层表面膜孔直径小于支撑层表面膜孔直径。
其中，所述的支撑层可含有起增强作用的无纺布，也可不含无纺布。无纺布选自但不限于选用聚乙烯无纺布、PET无纺布，聚丙烯无纺布，纤维素，木质素，聚丙烯腈无纺布，玻璃纤维或不锈钢网。其无纺布的纤维丝直径远大于支撑层的纤维丝直径，其无纺布的透气率远高于支撑层的透气率。
其中，所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜厚度为50~500微米，优选为80~300微米；其中截留功能层厚度为100纳米~100微米，占高分子纤维膜厚度的0.1~50%，优选为1~20%；支撑层厚度为50~300微米，占高分子纤维膜厚度的50~99%，优选为80~99%。
其中，所述的截留功能层和支撑层可以是相同材质的高分子纤维，也可以是不同材质的高分子纤维。其中高分子纤维可以是疏水材料，也可是亲水材料，选自但不仅限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、偏氟乙烯均聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、含苯乙烯的共聚物、聚氯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸丁二酯、芳纶1313、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯、醋酸纤维素、丙烯腈苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-乙烯基苄基卤化物共聚物、聚碳酸酯、纤维素聚合物、醋酸-丁酸纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素、甲基纤维素、硝化纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、芳基聚酰胺、芳基聚酰亚胺、聚醚、聚亚芳基氧化物、聚苯醚、聚二甲苯氧化物；聚(酯酰胺-二异氰酸酯)、聚氨酯、聚酯(包括聚芳酯)、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚丙烯酸酯、聚对苯二甲酸苯二酯、聚硫化物、聚丁烯-1、聚4-甲基戊烯-1、乙烯类聚合物、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯酯、聚醋酸乙烯酯、聚丙酸乙烯酯、聚乙烯基吡啶、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基醚、聚乙烯基酮、聚乙烯基醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯基酰胺、聚乙烯胺、聚乙烯基氨基甲酸酯、聚乙烯脲、聚乙烯基磷酸盐、聚乙烯基硫酸盐、聚烯丙基；聚苯并苯并咪唑、聚酰肼、聚噁二唑、聚三唑、聚苯并咪唑、聚碳化二亚胺、聚膦嗪纤维素、壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、环糊精等中的一种或几种。
其中，截留功能层的高分子纤维优选但不限于静电纺丝所制备的直径10纳米~500纳米的高分子纤维。
其中，所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜，可应用于空气净化，风阻小于100Pa，PM2.5的过滤效率大于99.9%，微生物包括细菌和噬菌体的过滤效率大于99.9%。
其中，所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜，其特征在于，可应用于膜蒸馏进行料液的脱盐处理，其中对不同含盐浓度（0.1~30%）溶液的脱盐效率大于90%。其中高分子纤维优选于疏水高分子，选自但不仅限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、偏氟乙烯均聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS），聚氯乙烯(PVC)，聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸丁二酯、芳纶1313等。
其中，所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜，其特征在于，可应用于油水分离，其中对含油废水的脱油效率大于90%。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
本发明通过制备纤维丝直径递进合理的高分子复合纳米纤维膜，构造多层过滤结构，工艺简单，可优化性强，过滤效率高，阻力小，成本低廉，可应用于空气净化、油水分离及料液脱盐领域。
附图说明
图1为多层复合结构的高分子纤维膜的示意图；
图2为不同纤维丝直径的高分子纤维膜的SEM电镜照片；
图3为纳米纤维膜过滤烟尘前后的照片。
具体实施方式
下面的实施案例中将对本发明作进一步的阐述，但本发明不限于此。
实施例1-3：
通过熔喷法制备纤维丝直径为10微米的PET支撑层，单位面积重量为80g/m2，厚度为200微米，利用静电纺丝技术在PET粗纤维膜表面制备纤维丝直径为300纳米的PET截留层，厚度为100微米。分别应用于空气过滤、膜蒸馏脱盐和油水分离等领域。
（1）将复合纤维膜用于空气过滤，对PM2.5的去除效率为100%。
（2）将复合纤维膜进行热压处理后，截留层对水的接触角达到140°，用于膜蒸馏料液进行海水淡化脱盐，两侧温差为50度时，水通量为30LMH，截盐率为99.9%。复合膜在长达20小时的运作时间范围内仍能保持高效的脱盐率和水蒸汽通量。
（3）所得复合纤维膜对水的接触角为150°，对油的接触角为0°，具有超疏水超亲油的特殊浸润性。将上述复合膜放入油水混合体系中，对油水混合体系中的油具有良好的选择去除性能。
实施例4-6
通过熔喷法制备纤维丝直径为5微米的PP支撑层，单位面积重量为100g/m2，厚度为150微米，利用静电纺丝技术在PP纤维表面制备直径为100纳米的PVDF纳米纤维截留层，厚度为50微米。
（1）将复合纤维膜用于空气过滤，对PM2.5的去除效率为100%。
（2）将复合纤维膜130度进行热压处理后1分钟，PVDF截留层对水的接触角达到135°，用于膜蒸馏料液进行海水淡化脱盐，两侧温差为30度时，水通量为50LMH，截盐率为99.8%。
（3）所得复合纤维膜对水的接触角为155°，对油的接触角为0°，具有超疏水超亲油的特殊浸润性。将上述复合膜放入油水混合体系中，对油水混合体系中的油具有选择去除性能。
上述实例获得高效复合结构的高分子纤维膜根据应用范围的不同可选择不同材质、厚度的支撑层和截留层。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，
(a)具有支撑层和形成于其上的截留功能层的多层结构；
(b)所述的截留功能层和支撑层都是高分子纤维交错形成的多孔结构；
(c)所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜的孔隙率大于60%；
(d)所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜的空气透过率大于200L/(m2·s)；
(e)所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜单位面积的重量小于300g/m2。
2.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，，其特征在于，所述的构成截留功能层的高分子纤维直径D1为10纳米~500纳米；构成支撑层的高分子纤维直径D2为100纳米~10微米;其中D1≤D2,即构成截留功能层的高分子纤维直径小于构成支撑层的高分子纤维直径。
3.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，所述的截留功能层表面膜孔直径小于支撑层表面膜孔直径。
4.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，所述的支撑层可含有起增强作用的无纺布，也可不含无纺布，无纺布选自但不限于选用聚乙烯无纺布、PET无纺布，聚丙烯无纺布，纤维素，木质素，聚丙烯腈无纺布，玻璃纤维或不锈钢网，其无纺布的纤维丝直径远大于支撑层的纤维丝直径，其无纺布的透气率远高于支撑层的透气率。
5.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，所述的多层复合多孔结构的高分子纤维膜厚度为50~500微米，优选为80~300微米；其中截留功能层厚度为100纳米~100微米，占高分子纤维膜厚度的0.1~50%，优选为1~20%；支撑层厚度为50~300微米，占高分子纤维膜厚度的50~99%，优选为80~99%。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，所述的截留功能层和支撑层可以是相同材质的高分子纤维，也可以是不同材质的高分子纤维，其中高分子纤维可以是疏水材料，也可是亲水材料，选自但不仅限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、偏氟乙烯均聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、含苯乙烯的共聚物、聚氯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸丁二酯、芳纶1313、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯、醋酸纤维素、丙烯腈苯乙烯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-乙烯基苄基卤化物共聚物、聚碳酸酯、纤维素聚合物、醋酸-丁酸纤维素、丙酸纤维素、乙基纤维素、甲基纤维素、硝化纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、芳基聚酰胺、芳基聚酰亚胺、聚醚、聚亚芳基氧化物、聚苯醚、聚二甲苯氧化物；聚(酯酰胺-二异氰酸酯)、聚氨酯、聚酯(包括聚芳酯)、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚丙烯酸酯、聚对苯二甲酸苯二酯、聚硫化物、聚丁烯-1、聚4-甲基戊烯-1、乙烯类聚合物、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯酯、聚醋酸乙烯酯、聚丙酸乙烯酯、聚乙烯基吡啶、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基醚、聚乙烯基酮、聚乙烯基醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯基酰胺、聚乙烯胺、聚乙烯基氨基甲酸酯、聚乙烯脲、聚乙烯基磷酸盐、聚乙烯基硫酸盐、聚烯丙基；聚苯并苯并咪唑、聚酰肼、聚噁二唑、聚三唑、聚苯并咪唑、聚碳化二亚胺、聚膦嗪纤维素、壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、环糊精等中的一种或几种。
7.根据权利要求1、2、3、5和6所述的高分子纤维膜，其特征在于，其截留功能层的高分子纤维优选但不限于静电纺丝所制备的直径10纳米~500纳米的高分子纤维。
8.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，可应用于空气净化，风阻小于100Pa，PM2.5的过滤效率大于99.9%，微生物包括细菌和噬菌体的过滤效率大于99.9%。
9.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，可应用于膜蒸馏进行料液的脱盐处理，其中对不同含盐浓度（0.1~30%）溶液的脱盐效率大于90%，其中高分子纤维优选于疏水高分子，选自但不仅限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、偏氟乙烯均聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS），聚氯乙烯(PVC)，聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸丁二酯、芳纶1313等。
10.根据权利要求1所述的多层复合结构的纳米纤维膜，其特征在于，可应用于油水分离，其中对含油废水的脱油效率大于90%。
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