CN106139912B - 一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，是采用氢氧化钠水溶液去除编织绳表面的油污，再用聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂处理中空编织绳；再在处理过的编织绳外表面涂覆一薄层聚偏氟乙烯铸膜液，凝固成形而制得的。使用的聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂分子中存在聚醚软链段和聚酯硬链段，根据相似相亲原则，在受热过程中聚酯硬链段可与涤纶发生共熔、共结晶作用，使得亲水整理剂能长久地保留在编织绳上；同时聚醚软链段可与铸膜液发生共溶作用而使得聚酯编织绳与聚偏氟乙烯膜层具有良好的粘接性能；制得的内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜可用于MBR和浸没式超滤组件中。

Description

一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法
发明领域
本发明涉及一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法。
背景技术
由于膜法处理污水有着传统工艺无法比拟的优势，如处理速度快，处理精度高等，已经越来越广泛的在国内被应用。而污水处理用的膜也多种多样，现已经广泛应用于污水处理中的膜按形状分有平板膜、卷式膜、中空纤维膜等。随着膜分离技术在水处理中的大规模应用，对膜强度的要求也越来越高。平板膜通常是膜与基底材料相结合，中空纤维膜是自支撑膜。为提高中空纤维膜的强度，可采用编织管与膜结合的方法制成内支撑增强型中空纤维膜。
北京碧水源等公司都相继在研发、生产内支撑增强型膜；国外的GE、三菱丽阳等公司也在生产内支撑增强型膜。但经应用表明，虽然该产品的强度高，不会断裂，但在长期使用过程中表层的PVDF膜层会脱落而影响使用效果。国内外在改善内支撑层与皮层PVDF膜之间的粘接性能也做了很多工作，如使用弹性纤维等复合丝作为编织管的材料；两步法涂PVDF膜液；加热编织管等方法，但效果都很小。
发明内容
为了解决现有的内支撑增强型中空纤维膜粘接性能差的缺陷，本发明的目的是提供一种制备方法简单、可行的能改善皮层膜材料与中空编织绳之间粘接性能的内支撑增强型中空纤维膜的制备方法。
本发明的技术方案是采用氢氧化钠水溶液去除编织绳表面的油污，再用聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂处理中空编织绳，以改善编织绳表面的亲水性能；再在处理过的编织绳外表面涂覆一薄层聚偏氟乙烯铸膜液，凝固成形即制得。
本发明的内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法包括以下步骤：
1)在30～80℃的条件下，用质量浓度为10～30％氢氧化钠水溶液浸泡处理聚酯中空编织绳0.5～1h以去除表面的油污，拿出水洗晾干待用；
所述中空编织绳内径为0.5～2.2mm，外径为1.2～3.2mm；
2)用聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液浸泡处理经步骤1)处理过的中空编织绳；
所述聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂处理条件为：质量浓度为1.5～10％，温度为常温，浸泡10～30min；
3)将经步骤2)处理过的中空编织绳在100～120℃下烘10～30min即可用于内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的支撑层材料；
4)配制铸膜液：将聚偏氟乙烯、聚乙二醇、无机成孔剂、溶剂按以下质量百分比：
在温度为30～90℃的条件下均匀混合、溶解、过滤、脱泡后得到质量浓度为12～40％的聚偏氟乙烯铸膜液；
所述聚偏氟乙烯重均分子量为40～70万；
所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种的混合物；
所述聚乙二醇分子量为200～20000；
所述无机成孔剂为无水氯化锂、氧化铝、氯化钙、二氧化硅中的一种或两种的混合物；
5)配制凝固浴液：将溶剂与水按质量百分比0～45∶55～100配制凝固浴液；
所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种的混合物；
6)用步骤4)制得的铸膜液涂覆经步骤3)处理过的中空编织绳，直接经步骤5)凝固成型或者在温度为10～40℃，相对湿度为30～99％RH的环境下放置1～200s后经步骤5)凝固成型；
所述涂覆温度为20～60℃；
所述凝固温度为20～80℃，凝固时间为20～300s；
7)将在步骤6)中制得的内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜在10～40℃的去离子水中浸泡12～24h，以除去铸膜液体系中的溶剂及部分成孔剂，晾干即得内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
1)聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂分子中存在聚醚软链段和聚酯硬链段，根据相似相亲原则，在受热过程中聚酯硬链段可与涤纶发生共熔、共结晶作用，使得亲水整理剂能长久地保留在编织绳上；同时聚醚软链段可与铸膜液发生共溶作用而使得聚酯编织绳与聚偏氟乙烯膜层具有良好的粘接性能；
2)通过控制聚偏氟乙烯铸膜液中聚乙二醇与无机成孔剂的适当比例，利用各个组分的有机配合、协同作用，使聚偏氟乙烯铸膜液有适当的分散性和稳定性，可以有效控制铸膜液与凝固浴的界面润湿性，易于凝固剂与铸膜液中溶剂在界面的扩散渗透，再利用铸膜液配方和成孔条件的有效组合，可以制备出不同孔径，不同截留性能的内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜；
3)本发明的内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜内径为0.5～2.2mm，外径为1.5～3.7mm，通量为100～1000L/m2.h，平均孔径为0.006～0.5μm，强度≥200N；
4)制得的内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜可用于MBR和浸没式超滤组件中，降低断丝和堵污的可能性，延长膜片的使用寿命。
具体实施方式
实施例1
将40g重均分子量为40万的聚偏氟乙烯树脂，10g聚乙二醇(分子量600)，0.5g无水氯化锂，49.5g二甲基甲酰胺在90℃的条件下均匀混合、搅拌、溶解，过滤脱泡后制得质量浓度为40％聚偏氟乙烯铸膜液。将长度为50cm，内径为0.5mm，外径为1.2mm的聚酯中空编织绳在80℃的条件下用质量浓度为10％氢氧化钠水溶液浸泡处理0.5h，拿出水洗晾干。将该编织绳在常温下用质量浓度为10％的聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液处理30min，再将该编织绳在120℃下烘20min。然后在60℃的条件下，在该中空编织绳外表面涂覆一层质量浓度为40％聚偏氟乙烯铸膜液，在温度为10℃，相对湿度为99％RH的环境下放置30s后经50℃，质量浓度为30％二甲基甲酰胺水溶液凝固200s，再用40℃的去离子水浸泡12h，晾干即得内支撑聚偏氟乙烯中空纤维膜。内支撑增强型中空纤维膜的性能：内径为0.5mm，外径为1.5mm，平均孔径为0.006μm，通量为100L/m2.h，强度为200N。
实施例2
将6g重均分子量为70万的聚偏氟乙烯树脂，0.75g聚乙二醇(分子量2000)，1.5g氧化铝，41.75g二甲基乙酰胺在30℃的条件下均匀混合、搅拌、溶解，过滤脱泡后制得质量浓度为12％聚偏氟乙烯铸膜液。将长度为50cm，内径为2.2mm，外径为3.2mm的聚酯中空编织绳在40℃的条件下用质量浓度为20％氢氧化钠水溶液浸泡处理1h，拿出水洗晾干。将该编织绳在常温下用质量浓度为8％的聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液处理20min，再将该编织绳在110℃下烘30min。然后在50℃的条件下，在该中空编织绳外表面涂覆一层质量浓度为12％聚偏氟乙烯铸膜液，立即在80℃，去离子水中凝固200s，再用20℃去离子水浸泡24h，晾干即得内支撑聚偏氟乙烯中空纤维膜。内支撑增强型中空纤维膜的性能：内径为2.2mm，外径为3.7mm，通量为1000L/m2.h，平均孔径为0.5μm，强度为402N。
实施例3
将9g重均分子量为70万的聚偏氟乙烯树脂，1.5g聚乙二醇(分子量200)，1g氯化钙，38.5gN-甲基吡咯烷酮在50℃的条件下均匀混合、搅拌、溶解，过滤脱泡后制得质量浓度为18％聚偏氟乙烯铸膜液。将长度为50cm，内径为1.8mm，外径为3.0mm的聚酯中空编织绳在60℃的条件下用质量浓度为30％氢氧化钠水溶液浸泡处理0.5h，拿出水洗晾干。将该编织绳在常温下用质量浓度为5％的聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液处理20min，再将该编织绳在110℃下烘30min。然后在40℃的条件下，在该中空编织绳外表面涂覆一层质量浓度为18％聚偏氟乙烯铸膜液，在温度为40℃，相对湿度为50％RH的环境下放置200s后经20℃，质量浓度为10％N-甲基吡咯烷酮去离子水溶液凝固20s，再用35℃去离子水浸泡15h，晾干即得内支撑聚偏氟乙烯中空纤维膜。内支撑增强型中空纤维膜的性能：内径为1.8mm，外径为3.4mm，平均孔径为0.3μm，通量为802L/m2.h，强度为382N。
实施例4
将12.5g重均分子量为50万的聚偏氟乙烯树脂，3g聚乙二醇(分子量6000)，1g二氧化硅，23.5g二甲基甲酰胺，10g二甲基乙酰胺在70℃的条件下均匀混合、搅拌、溶解，过滤脱泡后制得质量浓度为25％聚偏氟乙烯铸膜液。将长度为50cm，内径为1.5mm，外径为2.5mm的聚酯中空编织绳在30℃的条件下用质量浓度为15％氢氧化钠水溶液浸泡处理1h，拿出水洗晾干。将该编织绳用质量浓度为1.5％的聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液处理30min，再将该编织绳在120℃下烘30min。然后在60℃的条件下，在该中空编织绳外表面涂覆一层质量浓度为25％聚偏氟乙烯铸膜液，在温度为30℃，相对湿度为30％RH的环境下放置1s后经60℃质量浓度为15％二甲基甲酰胺去离子水溶液凝固150s，再用25℃去离子水浸泡20h，晾干即得内支撑聚偏氟乙烯中空纤维膜。内支撑增强型中空纤维膜的性能：内径为1.5mm，外径为3.1mm，平均孔径为0.06μm，通量为598L/m2.h，强度为314N。
实施例5
将15g重均分子量为50万的聚偏氟乙烯树脂，1.5g聚乙二醇(分子量20000)，0.5g二氧化硅，1.5g无水氯化锂，27g二甲基甲酰胺，4.5gN-甲基吡咯烷酮在80℃的条件下均匀混合、搅拌、溶解，过滤脱泡后制得质量浓度为30％聚偏氟乙烯铸膜液。将长度为50cm，内径为1.0mm，外径为1.6mm的聚酯中空编织绳在50℃的条件下用质量浓度为25％氢氧化钠水溶液浸泡处理0.5h，拿出水洗晾干。将该编织绳用质量浓度为3％的聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液处理30min，再将该编织绳在120℃下烘30min。然后在40℃的条件下，在该中空编织绳外表面涂覆一层质量浓度为30％聚偏氟乙烯铸膜液，立即在40℃质量浓度为45％二甲基甲酰胺水溶液凝固300s，再用30℃去离子水浸泡18h，晾干即得内支撑聚偏氟乙烯中空纤维膜。内支撑增强型中空纤维膜的性能：内径为1.0mm，外径为2.1mm，通量为321L/m2.h，平均孔径为0.01μm，强度为283N。

Claims (9)

1.一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1)在30～80℃的条件下，用质量浓度为10～30％氢氧化钠水溶液浸泡处理聚酯中空编织绳0.5～1h以去除表面的油污，拿出水洗晾干待用；
2)用聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂水溶液浸泡处理经步骤1)处理过的中空编织绳；
所述聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂处理条件为：质量浓度为1.5～10％，温度为常温，浸泡10～30min；
3)将经步骤2)处理过的中空编织绳在100～120℃下烘10～30min即可用于内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的支撑层材料；
4)配制铸膜液：将聚偏氟乙烯、聚乙二醇、无机成孔剂、溶剂按以下质量百分比：
在温度为30～90℃的条件下均匀混合、溶解、过滤、脱泡后得到质量浓度为12～40％的聚偏氟乙烯铸膜液；
5)配制凝固浴液：将溶剂与水按质量百分比0～45∶55～100配制凝固浴液；
6)用步骤4)制得的铸膜液涂覆经步骤3)处理过的中空编织绳，直接经步骤5)凝固成型或者在温度为10～40℃，相对湿度为30～99％RH的环境下放置1～200s后经步骤5)凝固成型；
7)将在步骤6)中制得的内支撑聚偏氟乙烯中空纤维膜在10～40℃的去离子水中浸泡12～24h，以除去铸膜液体系中的溶剂及部分成孔剂，晾干即得内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜。
2.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述中空编织绳内径为0.5～2.2mm，外径为1.2～3.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述聚偏氟乙烯的重均分子量为40～70万。
4.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述聚乙二醇分子量为200～20000。
6.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述无机成孔剂为无水氯化锂、氧化铝、氯化钙、二氧化硅中的一种或两种的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述涂覆温度为20～60℃。
9.根据权利要求1所述的一种内支撑增强型聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述凝固温度为20～80℃，凝固时间为20～300s。
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