CN106334462A - 超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法和应用 - Google Patents

超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，包括：将基质性有机高分子材料溶于有机溶剂中，经过高温搅拌后制成静电纺丝基液；将功能性有机高分子材料和纳米颗粒物溶于步骤一所制的静电纺丝基液中，经过高温搅拌、高温静置后制成静电纺丝溶液；设定静电纺丝相关仪器参数和环境参数，将静电纺丝溶液进行静电纺丝制膜，得到静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜；对静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜进行热处理和静置降温。本发明还提供了一种上述超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜及其在膜蒸馏工艺中的应用。本发明制备方法简单，制备工艺易控制，制备成本低廉，制备用时较短，膜水接触角大，可直接应用于膜蒸馏工艺，膜通量高，膜寿命长。

Description

超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及膜制备领域和水处理领域，尤其涉及一种超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法及其在膜蒸馏过程中的应用。
背景技术
膜蒸馏工艺(MD)是近年来发展起来的一种新型膜分离技术。该工艺是混合液中挥发性组分在多孔疏水膜两侧蒸汽压差推动下实现传质分离的膜过程。膜蒸馏工艺具有所需设备简单、运行操作容易、目标组分截留率高、运行温度低、可在常压下操作、可利用低品味热源(太阳能、地热、废热等)、可处理高浓度水溶液等优点，因此可广泛应用于海水淡化、高纯水制备、高盐废水处理、食品加工、乙醇脱水等领域。在水资源日益匮乏和水污染日益严重的今天，膜蒸馏工艺凭借自身的显著优点在污水深度处理和再利用领域具有广泛的应用前景。
根据膜蒸馏分离对象和分离过程的特性，膜蒸馏用膜需满足疏水性和多孔性，以保证水不会渗入微孔且膜具有较大的通量。另外膜蒸馏用膜还需具有较高的机械强度、热稳定性、化学稳定性、抗污染性和较低的导热系数等特点。相转化法、拉伸法、表面改性法、共混改性法和复合膜法是目前常用的膜蒸馏用膜的制备方法，然而这些传统方法所制膜往往存在疏水性低、膜易润湿，多孔性低、膜通量小的问题，严重限制了膜蒸馏工艺的应用前景和发展速度。因此制备疏水性高、孔隙率高的膜仍是膜蒸馏工艺亟待解决的问题，也是膜蒸馏工艺规范化、市场化、工业化的关键所在。
近年来，静电纺丝法凭借操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等特点在膜制备领域受到日益广泛的关注。该法是通过对带电荷聚合物施加高压电形成加速射流，生产直径10nm-10μm的纤维，从而层积成膜的膜制备方法。所制得的膜具有高疏水性、高孔隙率、孔径可控等特点，十分适宜作为膜蒸馏用膜。聚二甲基硅氧烷(硅油，PDMS)具有无毒无味、耐热耐寒、高化学稳定性、高防水性、高抗剪切性、低表面能和表面密度等特点，理论上是制备超疏水性静电纺丝膜的最佳选择。包含金属-有机框架、碳纳米管、碳60等在内的多孔性纳米颗粒物，理论上也可用于调节静电纺丝膜的孔径和增强静电纺丝膜的多孔性。目前已知的相关文献和专利中，静电纺丝法已成功应用于制备聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等聚合物静电纺丝膜，并在膜蒸馏工艺中对这些膜的性能及效果进行了初步验证，然而这些膜普遍面临疏水性未达超疏水性层次、抗润湿性较差、抗污染性能欠佳、孔径不可控、膜通量不稳定等问题，在膜蒸馏技术中的应用尚存在诸多缺陷。超疏水性静电纺丝PDMS膜可有效解决上述缺陷，但目前已知的相关文献和专利中，尚未有关于结合纳米颗粒物的超疏水性静电纺丝PDMS膜的制备研究或其在膜蒸馏领域的应用研究。
发明内容
针对现有膜蒸馏用膜的疏水性低、孔径不可控等缺陷和静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在膜蒸馏应用中的空白，本发明所要解决的技术问题是提供一种结合纳米颗粒物的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，并可成功应用于膜蒸馏工艺。
为实现上述目的，本发明提供了一种超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，该制备方法是在有机溶剂中添加基质性高分子材料，聚二甲基硅氧烷以及纳米颗粒，从而有效提高静电纺丝液分子量和链缠结，以通过静电纺丝技术实现聚二甲基硅氧烷静电纺丝膜的制备，该制备方法适用于膜蒸馏工艺。
本发明的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将基质性有机高分子材料溶于有机溶剂中，经过高温搅拌后制成静电纺丝基液；其中基质性有机高分子材料包括聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯乙烯(PS)和热塑性聚氨酯(TPU)中的一种或多种；有机溶剂包括乙醇、乙酸乙酯、丙酮、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、四氢呋喃(THF)中的一种或多种；
步骤二、将功能性有机高分子材料和纳米颗粒物溶于步骤一所制的静电纺丝基液中，经过高温搅拌、高温静置后制成静电纺丝溶液；其中功能性有机高分子材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；纳米颗粒物包括金属-有机框架、碳纳米管、二氧化硅、氧化锌、沸石和黏土中的一种或多种；
步骤三、设定静电纺丝相关仪器参数和环境参数，将静电纺丝溶液进行静电纺丝制膜，得到静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜；其中仪器参数包括正高压、负高压、针头内径、纺丝液体积、纺丝液推注速度、纺丝时间、接收滚筒和喷丝头之间的距离、接收滚筒转速；环境参数包括纺丝环境温度和空气相对湿度；
步骤四、对静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜进行热处理和静置降温，最终得到超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜。
进一步地，上述步骤一中，基质性有机高分子材料在有机溶剂中的质量百分比为5-20wt.％；上述质量百分比为溶质质量占所用溶剂质量的比例。
进一步地，上述步骤一中，搅拌时间为0.5-6h；搅拌温度为20-70℃。
进一步地，上述步骤二中，功能性有机高分子材料的粘度为1000-10000cP。
进一步地，上述步骤二中，功能性有机高分子材料在静电纺丝基液中的质量百分比为5-20wt.％；纳米颗粒材料在静电纺丝基液中的质量百分比为0.01-5wt.％；上述质量百分比为溶质质量占所用溶剂质量的比例。
进一步地，上述步骤二中，搅拌时间为0.5-6h，搅拌温度为20-70℃；静置时间为0.6-24h；静置温度为20-70℃，且一般与搅拌温度相同。
进一步地，上述步骤三中，正高压为5kv-25kv，负高压为-1kv，针头内径为0.1-5mm；纺丝液体积为5-25ml，纺丝液推注速度为0.01-0.5mm/min，纺丝时间为2-48h；接收滚筒和喷丝头之间的距离为10-30cm，接收滚筒转速20-100r/min；纺丝环境温度20℃-40℃，空气相对湿度20％-80％。
进一步地，上述步骤四中，热处理的温度为80-150℃，热处理的时间为30-240min；静置时间为60-240min，静置温度为室温。
本发明还提供了一种根据上述制备方法得到的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜，该超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的水接触角为150°，并且滚动角小于10°。
进一步地，上述超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的孔径为0.1-15μm。
进一步地，上述超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的厚度为20-200μm。
本发明还提供了根据上述制备方法制备的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在膜蒸馏工艺中的应用。
本发明所制备的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜具有如下优点：
1.制备方法简单，制备工艺易控制，制备成本低廉，制备用时较短；
2.膜水接触角大，属于超疏水材料，抗润湿性高；
3.膜孔径可控，膜厚度可控，孔隙率高；
4.可直接应用于膜蒸馏工艺，无需后续处理，膜通量高，膜寿命长。
本发明的方法实现了适用于膜蒸馏工艺的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备；本发明获得的膜同时具有超疏水性和可控膜孔径及膜厚度，可成功应用于膜蒸馏工艺，取得理想稳定的纯水膜通量和盐分截留率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是实施例1中得到的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的表面形态扫描电镜图；
图2是实施例1中得到的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的表面水接触角示意图；
图3是实施例1中得到的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在360分钟膜蒸馏过程中的接收侧纯水膜通量和电导率随时间的变化关系图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种适用于膜蒸馏工艺的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制静电纺丝基液：将PMMA溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)质量比为1：1的混合溶剂中，并在50℃下搅拌2h；其中PMMA在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)的混合溶剂中的质量百分比为10wt.％；
(2)配制静电纺丝溶液：在上述静电纺丝基液中加入相应质量的PDMS，使PDMS在静电纺丝基液中的质量百分比为10wt.％，在25℃下搅拌0.5h，然后在25℃下静置0.5h即得静电纺丝溶液；
(3)设定静电纺丝参数，将静电纺丝溶液进行静电纺丝制膜，得到静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜，其中静电纺丝参数为：正高压为+11kv，负高压为-1kv，针头内径0.6mm；纺丝液体积为10ml，纺丝液推注速度为0.1mm/min，纺丝时间为500min；接收滚筒和喷丝头之间的距离16cm，接收滚筒转速50r/min；纺丝环境温度25℃，空气相对湿度40％；
(4)将获得的静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜置于两块玻璃板之间，放入100℃烘箱中60min热处理，室温静置60min，得到超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜。
如图1和图2所示，本实施例所得的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的膜厚度为65.4±3.4μm，膜孔径为8.03μm，膜水接触角163.1±3.5°。
在膜蒸馏过程中，配置3.5wt％的NaCl溶液作为热侧进料液，体积1.5L，流量0.5L/min，温度70±2℃，初始电导率为66.0mS/cm；配置去离子水作为冷侧接收液，体积0.5L，流量0.5L/min，温度25±1℃，初始电导率为1.6μS/cm。将上述制备的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在直接接触膜蒸馏装置上，可成功运行膜蒸馏工艺。进行360min的膜蒸馏实验，冷侧接收液的平均产水膜通量为24.1L/m2/h，电导率低于2.3μS/cm，脱盐率高于99.99％，参见图3。
实施例2：
本实施例提供了一种适用于膜蒸馏工艺的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制静电纺丝基液：将PMMA溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)质量比为1：1的混合溶剂中，并在50℃下搅拌2h；其中PMMA在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)的混合溶剂中的质量百分比为15wt.％；
(2)配制静电纺丝溶液：在PMMA静电纺丝基液中加入相应质量的PDMS，使PDMS在静电纺丝基液中的质量百分比为15wt.％，在50℃下搅拌0.5h，然后在50℃下静置0.5h即得静电纺丝溶液；
(3)设定静电纺丝参数，将静电纺丝溶液进行静电纺丝制膜，得到静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜，其中静电纺丝参数为：正高压为+15kv，负高压为-1kv，针头内径0.6mm；纺丝液体积为10ml，纺丝液推注速度为0.5mm/min，纺丝时间为100min；接收滚筒和喷丝头之间的距离16cm，接收滚筒转速50r/min；纺丝环境温度25℃，空气相对湿度50％；
(4)将获得的静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜置于玻璃板上，放入100℃烘箱中60min热处理，室温静置60min，得到超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜。
本实施例所得的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的膜厚度为125.0±10.6，膜孔径为12.14μm，膜水接触角155.5±2.1°。
在膜蒸馏过程中，配置3.5wt％的NaCl溶液作为热侧进料液，体积1.5L，流量0.5L/min，温度70±2℃，初始电导率为64.0mS/cm；配置去离子水作为冷侧接收液，体积0.5L，流量0.5L/min，温度25±1℃，初始电导率为1.5μS/cm。将上述制备的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在直接接触膜蒸馏装置上，可成功运行膜蒸馏工艺。进行360min的膜蒸馏实验，冷侧接收液的平均产水膜通量为19.9L/m2/h，电导率低于6.6μS/cm，脱盐率高于99.99％。
实施例3
本实施例提供了一种适用于膜蒸馏工艺的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制静电纺丝基液：将TPU溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)质量比为1：1的混合溶剂中，并在70℃下搅拌2h；其中TPU在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氢呋喃(THF)的混合溶剂中的质量百分比为10wt.％；
(2)配制静电纺丝溶液：在上述静电纺丝基液中加入相应质量的PDMS，使PDMS在静电纺丝基液中的质量百分比为10wt.％，在25℃下搅拌0.5h，然后在25℃下静置0.5h即得静电纺丝溶液；
(3)设定静电纺丝参数，将静电纺丝溶液进行静电纺丝制膜，得到静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜，其中静电纺丝参数为：正高压为+9kv，负高压为-1kv，针头内径0.6mm；纺丝液体积为10ml，纺丝液推注速度为0.2mm/min，纺丝时间为250min；接收滚筒和喷丝头之间的距离13cm，接收滚筒转速50r/min；纺丝环境温度25℃，空气相对湿度45％；
(4)将获得的静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜置于玻璃板上，放入120℃烘箱中60min热处理，室温静置120min；
本实施例所得的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的膜厚度为25.4±3.4μm，膜孔径为1.04μm，膜水接触角150.1±3.5°。
在膜蒸馏过程中，配置3.5wt％的NaCl溶液作为热侧进料液，体积1.5L，流量0.25L/min，温度70±2℃，初始电导率为65.6mS/cm；配置去离子水作为冷侧接收液，体积0.5L，流量0.25L/min，温度25±1℃，初始电导率为1.5μS/cm。将上述制备的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在直接接触膜蒸馏装置上，可成功运行膜蒸馏工艺。进行360min的膜蒸馏实验，冷侧接收液的平均产水膜通量为54.8L/m2/h，电导率低于58.5μS/cm，脱盐率高于99.90％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将基质性有机高分子材料溶于有机溶剂中，经过高温搅拌后制成静电纺丝基液；其中所述基质性有机高分子材料包括聚甲基丙烯酸甲脂、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚苯乙烯和热塑性聚氨酯中的一种或多种；有机溶剂包括乙醇、乙酸乙酯、丙酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种或多种；
步骤二、将功能性有机高分子材料和纳米颗粒物溶于步骤一所制的静电纺丝基液中，经过高温搅拌、高温静置后制成静电纺丝溶液；其中所述功能性有机高分子材料为聚二甲基硅氧烷；所述纳米颗粒物包括金属-有机框架、碳纳米管、二氧化硅、氧化锌、沸石和黏土中的一种或多种；
步骤三、设定静电纺丝相关仪器参数和环境参数，将所述静电纺丝溶液进行静电纺丝制膜，得到静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜；其中仪器参数包括正高压、负高压、针头内径、纺丝液体积、纺丝液推注速度、纺丝时间、接收滚筒和喷丝头之间的距离、接收滚筒转速；环境参数包括纺丝环境温度和空气相对湿度；
步骤四、对所述静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜进行热处理和静置降温，最终得到超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜。
2.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述基质性有机高分子材料在所述有机溶剂中的质量百分比为5-20wt.％；所述质量百分比为溶质质量占所用溶剂质量的比例。
3.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，搅拌时间为0.5-6h；搅拌温度为20-70℃。
4.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述功能性有机高分子材料的粘度为1000-10000cP。
5.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述功能性有机高分子材料在所述静电纺丝基液中的质量百分比为5-20wt.％；所述纳米颗粒材料在所述静电纺丝基液中的质量百分比为0.01-5wt.％；所述质量百分比为溶质质量占所用溶剂质量的比例。
6.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，搅拌时间为0.5-6h，搅拌温度为20-70℃；静置时间为0.6-24h；静置温度为20-70℃，且与搅拌温度相同。
7.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，正高压为5kv-25kv，负高压为-1kv，针头内径为0.1-5mm；纺丝液体积为5-25ml，纺丝液推注速度为0.01-0.5mm/min，纺丝时间为2-48h；接收滚筒和喷丝头之间的距离为10-30cm，接收滚筒转速20-100r/min；纺丝环境温度20℃-40℃，空气相对湿度20％-80％。
8.根据权利要求1所述的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，热处理的温度为80-150℃，热处理的时间为30-240min；静置时间为60-240min，静置温度为室温。
9.一种根据权利要求1～8中任意一种制备方法得到的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜，其特征在于，所述超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜的水接触角为150°，并且滚动角小于10°。
10.一种根据权利要求1～8中任意一种制备方法得到的超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜在膜蒸馏工艺中的应用。
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