CN106582313B - 一种双层耐碱分离膜支撑材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有耐碱性能的分离膜支撑材料及其制备方法，包括涂覆层和支撑层，经水刺和热轧压延制备而成。涂覆层以细径聚丙烯纤维和热熔纤维为原料，支撑层以粗径聚丙烯纤维再配以一定量热熔纤维为原料，经打浆、配浆等工艺步骤，由不同供浆系统分别输送至双层成型湿法设备抄造成网，后经水刺、热轧压延成型。本发明通过采用上述技术，解决了双层分离膜支撑体耐碱性差、易分层、强力低、柔韧性差等问题，在较低的热轧压力和温度下，制备耐碱性能优异、层间结合力良好、力学性能优异、形态结构稳定和刚柔适度的双层分离膜支撑材料。
Description
技术领域
本发明属于液体分离与过滤用材料制造技术领域，具体地说，涉及一种双层耐碱分离膜支撑材料及其制备方法。
背景技术
膜技术作为新型分离技术已广泛应用于气体分离、物料分离和水处理，其中水处理领域对膜产品的需求量最大、应用最广。微滤膜、超滤膜应用于净水场的水处理，反渗透膜主要用于海水的淡水化处理。另外，反渗透膜、纳滤膜被用于进行半导体制造用水、热水器用水、医疗用水和试验用纯水等的处理。同时在地下废水处理中，利用微滤膜、超滤膜来进行膜分离洁性污泥。
单纯的膜结构很脆弱，无法承受较高的操作压力，目前市场上销售的平板超滤膜以及反渗透膜绝大多数都是以无纺布作为支撑体的。一般具有分离功能的膜和支撑体通过下述方法来一体化，即在无纺布、织布等的支撑体上流延并固化一层具有分离功能的膜。另外，对于反渗透膜而言，先在无纺布、织布等的支撑体上流延高分子聚合物的溶液以形成底膜，然后在该底膜上形成分离膜，通过这样的方法等来一体化。
在一些特殊废水的处理中，膜的耐用性也是一个值得思考的问题，如在印染废水、纺织工业废水、半纤维素碱液回收等中所使用膜工艺需要对膜材料、膜支撑体以及膜元件的耐碱性要求非常高。中国专利CN102626593A公开了一种耐酸碱、抗污染超滤膜片的配方及其制备方法，但是此专利中并未提及其无纺布支撑体的耐酸碱性能。中国专利CN103585893A也公开了一种耐碱液体过滤膜支撑体的制造方法，将聚酯主体纤维和低熔点聚酯粘合剂纤维分散在水中，加入水性聚丙烯酸酯乳液作为施胶剂，抄造成片材，热压成型，得到耐碱液体过滤膜支撑体。但这种方法仍然以聚酯纤维为主体，在常温下耐碱性能比较稳定，但在较高的温度下，碱液会渗透到聚酯纤维内部，导致膜支撑体碱性水解，同时通过施胶的方法一是会影响膜支撑体的通透性能，同时胶水的施胶又会对环境产生二次污染。
绝大多数的液体分离膜的支撑体采用聚酯湿法非织造材料，虽然聚酯纤维有较好的耐化学试剂稳定性，但是其只能耐弱酸与弱碱。在常温下，浓碱或高温、稀碱条件下均对其有破坏作用。因此聚湿法支撑体在过滤碱性废水时有较大局限性。聚丙烯纤维是一类耐化学腐蚀性极优，可替代聚酯纤维，成为强碱性废水过滤膜支撑体的材料。但是聚丙烯纤维制备的膜支撑体仍存易卷曲、强度差，形态稳定不好等不足；同时对湿法无纺布原材进行热压处理时，由于热粘合剂纤维受热收缩的特性，极易造成无纺布向内收缩，致使成品的匀度、薄厚均一性以及纵横拉伸强度比受到影响，对后期涂膜产生不良后果。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种双层耐碱分离膜支撑材料及其制备方法，解决分离膜支撑体在耐碱性差、易分层、强力低、柔韧性差等问题，在无需较高的温度和热轧压力下，提供制备耐碱性能良好、力学性能优异、形态结构稳定的刚柔适度的分离膜支撑材料。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双层耐碱分离膜支撑材料，包括涂覆层和支撑层，所述涂覆层由重量百分含量为60％-80％的细径聚丙烯纤维配以20％-40％的热熔纤维构成，其定量为20g/m2-40g/m2；所述支撑层由重量百分含量为70％-90％粗径聚丙烯纤维配以10％-30％的热熔纤维构成、其定量为40g/m2-80g/m2。
进一步，所述涂覆层由重量百分含量为65％-80％的细径聚丙烯纤维配以20％-35％的热熔纤维构成。
进一步，所述热熔纤维包括纤维熔点为120℃-135℃的聚乙烯纤维、或重量配比分别为3-4:7-6的聚乙烯/聚丙烯的ES复合纤维。
进一步，所述支撑层由重量百分含量为75％-90％粗径聚丙烯纤维配以10％-25％的热熔纤维构成。
一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取重量百分含量为60％-80％的细径聚丙烯纤维配以20％-40％的热熔纤维依次投入己贮有水的打浆机中，控制纤维浓度为2-4％，疏解40-60min，放入另一配浆池，加水和分散剂搅拌均匀，使浓度为0.01-0.1％，配成涂覆层的浆料；
2)取重量百分含量为70％-90％粗径聚丙烯纤维配以10％-30％的热熔纤维投入己贮有水的另一打浆机中，控制纤维浓度为1-4％，疏解40-60min，放入另一配浆池，加水和分散剂搅拌均匀，使浓度为0.01-0.1％，配成支撑层的浆料；
3)将步骤1)和步骤2)制备的两种不同浆料，由不同供浆系统送至圆网湿法成型器或斜网湿法成型器或双层斜网湿法成型器，得到双层湿法纤网；
4)将双层湿法纤网先经过水刺加固、经烘缸干燥、热轧压延成型即制成定量60-120g/m2的双层结构水刺热轧分离膜支撑体。
进一步，所述粗径聚丙烯纤维直径在10μm～20μm之间，细径聚丙烯纤维直径在5μm～15μm之间，所述分散剂是聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯。
进一步，在步骤4)所述水刺加固过程中，预刺水刺压力20bar-50bar，主刺水刺压力30bar-60bar。
进一步，在步骤4)所述热轧压延成型过程中，热轧压延设备由串联配置的第一压延设备和第二压延设备两部分组成，其中第一压延设备是有上加热金属辊和无加热弹性辊组合的压延装置；第二压延设备是由两金属加热辊组成的热轧设备。
进一步，所述第一压延设备和第二压延设备压延温度在110℃-130℃，辊压力在300N/cm-500N/cm，成型后即制成定量60g/m2-120g/m2的双层分离膜支撑体。
进一步，纤网经过第一压延设备时，直接接触上加热金属辊的纤维层是涂覆面，直接接触无加热弹性辊的纤维网面为支撑层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)利用聚烯烃纤维优良的耐酸碱性能，主体纤维选用聚丙烯纤维、粘合纤维选用聚乙烯纤维或ES纤维制备湿法分离膜支撑体，解决了传统分离膜支撑材料不能长期在碱性环境中使用的难题。
(2)通过水刺复合构建了双层湿法膜支撑材料，实现了膜支撑材料在厚度方向的有效缠结，解决了现有聚丙烯湿法材料易卷边、形态结构稳定性差以及易分层的问题，大大提高了聚烯烃分离膜支撑体的物理机械性能和结构稳定性。
(3)通过水刺和热轧工艺的结合，克服了现有复合层压湿法膜支撑材料需要高温高压的热轧压延，产品过于密实、后期使用结构不稳定的不足，在保证膜支撑材料良好物理机械性能和结构稳定性的同时，通过低压、低温热轧压延实现涂覆层表面结构的平滑度和平整度。
(4)引入水刺加固技术，克服了现有膜支撑材料仅仅通过热轧压延技术加固成型，其存在刚度有余而柔性不足的难题，充分发挥水刺材料的柔性特征，实现了强度和柔性的平衡，在液体过滤时给予材料有效缓冲，从而降低过滤组件阻力，延长过滤组件的使用寿命。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1是本发明是热轧压延示意图。
1——无加热弹性辊；2——上加热金属辊；3——下加热金属辊；4——卷绕辊。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
双层湿法水刺分离膜支撑体制备主要包括以下步骤：
1、配浆
将聚丙烯纤维(纤维直径6.3μm、纤维长度5mm)和ES纤维(3.2μm，纤维长度5mm)以60:40的混合比例分散于水中，控制纤维浓度为2％，疏解40min，放入配浆池，加水和聚丙烯酰胺分散剂搅拌均匀，使浓度0.03％，粘度为60秒，配成涂覆层浆料；
将聚丙烯纤维(纤维直径14.5μm、纤维长度5mm)和ES纤维(10.2μm，纤维长度5mm)以60:40的混合比例分散于水中，控制纤维浓度为2％，疏解40min，放入配浆池，加水和聚丙烯酰胺分散剂搅拌均匀，使浓度0.04％，粘度为65秒，配成支撑层浆料；
2、成网、水刺加固
将上述浆料由不同的供浆系统分别输送至圆网/斜网组合湿法成型器制成涂覆层和支撑层干重分别为20g/m2和60g/m2复合纤网，经过水刺头压力分别为20bar和30bar的预刺和主刺复合加固成型；经130 ℃烘缸干燥制得干燥的湿法水刺片。
3、热轧压延成型
上述烘干湿法水刺片经过一组串联配置的热轧压延装置(如图1)，首先纤维网经过有上加热金属辊2(压延温度125 ℃，压力300N/m)和无加热弹性辊1组合第一压延设备，其中直接接触上加热金属辊2的纤维层是涂覆面，直接接触无加热弹性辊1的纤维网面为支撑层。然后纤维网进入由上加热金属辊2和下金属加热辊3(压辊温度125 ℃，压力400N/m)组成的第二压延设备，经卷绕辊4，最终获得定量80g/m2的双层湿法水刺分离膜支撑体。
实施例2
双层湿法水刺分离膜支撑体制备主要包括以下步骤：
1、配浆
将聚丙烯纤维(纤维直径7.2μm、纤维长度5mm)和PE纤维(熔点130 ℃，4.3μm，纤维长度5mm)以60:40的混合比例分散于水中，控制纤维浓度为2％，疏解40min，放入配浆池，加水和聚丙烯酰胺分散剂搅拌均匀，使浓度0.03％，粘度为60秒，配成涂覆层浆料；
将聚丙烯纤维(纤维直径13.8μm、纤维长度5mm)和PE纤维(熔点130 ℃，12.6μm，纤维长度5mm)以60:40的混合比例分散于水中，控制纤维浓度为2％，疏解40min，放入配浆池，加水和聚丙烯酰胺分散剂搅拌均匀，使浓度0.04％，粘度为65秒，配成支撑层浆料；
2、成网、水刺加固
将上述浆料由不同的供浆系统分别输送至圆网/斜网组合湿法成型器制成涂覆层和支撑层干重分别为20g/m2和60g/m2复合纤网，经过水刺头压力分别为30bar和40bar的预刺和主刺复合加固成型；经130 ℃烘缸烘干制得干燥的湿法水刺片。
3、热轧压延成型
上述烘干湿法水刺片经过一组并联配置的热轧压延装置(如图1)，复合纤网首先经过有上加热金属辊2(压延温度135℃，压力350N/m)和无加热弹性辊1组合第一压延设备，然后进入由两金属加热辊(压辊温度135 ℃，压力450N/m)组成的热第二压延设备，最终获得定量80.0g/m2的双层湿法水刺分离膜支撑体。
实施例3
与实施例2采用相同的工艺条件和加工方法，不同的是水刺主刺压力调整为55bar，制得定量79.6g/m2的双层湿法水刺分离膜支撑体。
对比例1
与实施例1采用相同的工艺条件和加工方法，不同的是纤网复合后直接在130 ℃烘缸内干燥，不经过水刺直接热轧压延成型，热轧温度和压力分别提高到145 ℃和550N/m，制得定量80.9g/m2的双层湿法水刺分离膜支撑体。
对比例2
与实施例2采用相同的工艺条件和加工方法，不同的是纤网复合后直接在130 ℃烘缸内干燥，不经过水刺直接热轧压延成型，热轧温度和压力分别提高到,210 ℃和750N/m，制备的定量81.6g/m2的双层湿法水刺分离膜支撑体。
对比例3
市售以聚酯纤维与低熔点聚酯纤维为原料，经湿法热轧制备的一种克重80.9g/m2分离膜支撑体。
对上述实施例、对比例膜支撑材料分别测试其物理机械性能、柔软度(用弯曲刚度表示)和层间结合力(根据GB/T 26203-2010《纸和纸板内结合强度的测定》)；同时将支撑体浸泡在温度65℃、pH＝12的NaOH溶液中24小时后，测试其湿拉伸强度，并与浸泡在pH＝7的蒸馏水中24小时的试样的湿强度相比较，计算出横纵向湿强度变化率，来表示耐碱性能；测量热压后无纺布支撑体的幅宽，并根据下式计算收缩率，测试结果表1所示。可以看出，不论与不经过水刺直接热轧的膜支撑材料还是与市售的热轧膜支撑材料相比，经过水刺热轧的膜支撑材料，在保持涂覆面平滑度基本不变的情况下，纵横向力学性能显著提升，层间结合强度显著增强，由于实施例膜支撑材料强力主要来源于纤维与纤维的柔性缠结因此其弯曲刚度反而略有下降，呈现较好的柔韧性。特别是高的水刺压力下,本发明制备的膜支撑材料增强效果更明显；经过碱液处理后的膜支撑材料都有较高的强度保持率，纵横向强力变化率均保持在1％以下，而仅仅经过热轧处理的对比例1和对比例2其纵横向强力变化率均在3％以上，特别是市场上市售聚酯膜支撑材料(对比例3)纵横向强力变化在50％以上，其已经很难再作为膜支撑材料使用；经过热轧处理时，本发明的实施例分离膜支撑材料横向收缩率与市售的聚酯膜材料的收缩率相近，同样表现出较高的尺寸稳定性。
表1实施例和对比例分离膜支撑体的性能
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取重量百分含量为60％-80％的直径5μm～15μm的聚丙烯纤维配以20％-40％的热熔纤维依次投入己贮有水的打浆机中，控制纤维浓度为2-4％，疏解40-60min，放入另一配浆池，加水和分散剂搅拌均匀，使浓度为0.01-0.1％，配成涂覆层的浆料；
2)取重量百分含量为70％-90％的直径10μm～20μm的聚丙烯纤维配以10％-30％的热熔纤维投入己贮有水的另一打浆机中，控制纤维浓度为1-4％，疏解40-60min，放入另一配浆池，加水和分散剂搅拌均匀，使浓度为0.01-0.1％，配成支撑层的浆料；
3)将步骤1)和步骤2)制备的两种不同浆料，由不同供浆系统送至圆网湿法成型器或斜网湿法成型器或双层斜网湿法成型器，得到双层湿法纤网；
4)将双层湿法纤网先经过水刺加固、经烘缸干燥、热轧压延成型即制成定量60-120g/m2的双层结构水刺热轧分离膜支撑体。
2.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂是聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯。
3.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，在步骤4)所述水刺加固过程中，预刺水刺压力20bar-50bar，主刺水刺压力30bar-60bar。
4.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，在步骤4)所述热轧压延成型过程中，热轧压延设备由串联配置的第一压延设备和第二压延设备两部分组成，其中第一压延设备是有上加热金属辊和无加热弹性辊组合的压延装置；第二压延设备是由两金属加热辊组成的热轧设备。
5.根据权利要求4所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，所述第一压延设备和第二压延设备压延温度在110℃-130℃，辊压力在300N/cm-500N/cm，成型后即制成定量60g/m2-120g/m2的双层分离膜支撑体。
6.根据权利要求4所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，纤网经过第一压延设备时，直接接触上加热金属辊的纤维层是涂覆层，直接接触无加热弹性辊的纤维网面为支撑层。
7.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，支撑材料包括涂覆层和支撑层，所述涂覆层由重量百分含量为60％-80％的直径5μm～15μm的聚丙烯纤维配以20％-40％的热熔纤维构成，其定量为20g/m2-40g/m2；所述支撑层由重量百分含量为70％-90％的直径10μm～20μm的聚丙烯纤维配以10％-30％的热熔纤维构成、其定量为40g/m2-80g/m2。
8.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，所述涂覆层由重量百分含量为65％-80％的直径5μm～15μm的聚丙烯纤维配以20％-35％的热熔纤维构成。
9.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，所述热熔纤维包括纤维熔点为120℃-135℃的聚乙烯纤维、或重量配比分别为3-4:7-6的聚乙烯/聚丙烯的ES复合纤维。
10.根据权利要求1所述一种双层耐碱分离膜支撑材料的制备方法，其特征在于，所述支撑层由重量百分含量为75％-90％直径10μm～20μm的聚丙烯纤维配以10％-25％的热熔纤维构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 528225 No. 5, Jun Ye Road, C area, Shishan science and Technology Industrial Park, Nanhai District, Foshan, Guangdong Applicant after: Guangdong Bao Hong new material Limited by Share Ltd Applicant after: Zhejiang Sci-Tech University Address before: 528225 No. 5, Jun Ye Road, C area, Shishan science and Technology Industrial Park, Nanhai District, Foshan, Guangdong Applicant before: Guangdong environmental technology Limited by Share Ltd Applicant before: Zhejiang Sci-Tech University |
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| GR01 | Patent grant | ||
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