CN108114610A - 一种具有微纳双微观结构的超疏水pvdf膜的制备方法 - Google Patents

一种具有微纳双微观结构的超疏水pvdf膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，步骤：(1)配置铸膜液：将疏水性无机纳米颗粒放入极性非质子溶剂中，加致孔剂，搅拌得悬浮液，将PVDF粉体放入悬浮液中，恒温水浴搅拌均匀，静置脱泡，得到铸膜液；(2)将铸膜液刮制得初生平板膜或纺制得初生态中空纤维膜丝，空气中停留，放入醇水溶液完成相转化；水清洗、浸泡，干燥，即得；本发明制得的膜的表面及孔道内壁都具有微纳双微观结构，从而实现膜表面和膜孔内壁的超疏水，整体上提高了膜的抗润湿性能，适用于膜蒸馏、支撑液膜、渗透蒸馏和膜吸收等领域。此外，该超疏水膜制备方法简单、灵活、成本低廉，适用于平板膜和中空纤维膜的制备。

Description

一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法
技术领域
本发明涉及膜技术领域，特别是涉及一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF(聚偏氟乙烯)膜的制备方法。
背景技术
超疏水表面是与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。它的抗污染、抗黏着、抗润湿的特性，引起了广泛的关注。用于制备超疏水表面材料普遍具有低表面能的化学成分。常用的疏水材料有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)和聚醚砜(PES)等。含氟化合物的临界表面张力明显小于其他化合物，所以PVDF和PTFE作为疏水材料具有明显的优势。但是，PTFE不溶于任何溶剂，目前只能通过挤出拉伸法和烧结法制备平板膜。而PVDF易溶于强极性有机溶剂，可以通过湿式相转化的方法制膜，制膜方法简单，是公认的性能较优的制膜材料，但其本身的疏水性不及PTFE。
超疏水膜的制备不仅要求膜材料本身具有一定的疏水性，制膜的方法及工艺也十分重要。为构建类似荷叶表面超疏水的微纳双微观结构，超疏水表面的制备方法主要分为两个方面：一种是在低表面能固体表面上构建粗糙结构；另外一种是利用低表面能物质对粗糙结构表面进行改性。目前，制备超疏水膜的方法有静电纺丝法、涂层法、相转化法和等离子体技术，以及某些方法的联合使用，其中相转化法最为常用。相转化法是利用均匀液相高分子溶液受外界环境的影响发生相变，从而转化成固相高分子膜的成膜方式，其具有实验条件易调控，设备简单容易操作，成本较小，稳定性高，可靠性强等优点，但是多数研究侧重于提高膜表面的疏水性，忽略了膜本体的疏水改性。专利CN201510358369通过弱凝固剂致相转化法制备微-纳双重粗糙结构的PVDF膜表面，然后在粗糙的PVDF膜表面引入低表面能的物质对其修饰，由此获得的超疏水PVDF膜接触角可达151.24°；专利CN201310491584利用无机粒子成核剂和有机粒子成核剂周围聚合物(PVDF)成核不均一的差异，在相转化过程中，因不同温度造成收缩差异，形成不同程度凹凸有致的表面结构，以此实现中空纤维膜的高疏水化。以上方法仅仅是对膜表面的疏水改性。在膜蒸馏、膜吸收等工艺过程中，膜润湿是一个由表及里逐步演变的过程表面疏水性提高能够延缓润湿过程的发生，但一旦水分子进入到膜孔中，润湿就会快速发展，导致系统运行效果急剧下降。因此，在提高膜表面疏水性的同时，同步提高膜孔内壁的疏水性，对于从根本上控制膜润湿行为具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配置铸膜液：按比例将0.5-5g干燥的疏水性无机纳米颗粒放入73-88mL极性非质子溶剂中，加入0.86-12.9mL致孔剂，搅拌使疏水性无机纳米颗粒分散，得到悬浮液，将10-25g干燥的PVDF粉体放入所述悬浮液中，60-80℃恒温水浴搅拌均匀，静置脱泡，得到铸膜液；
(2)用下述两种方式进行：
方式一：将步骤(1)得到的铸膜液置于支撑板上刮制得初生平板膜，在25-30℃、相对湿度为40％-70％的空气中停留10-60s，放入体积浓度为50％-95％的醇水溶液中，完成相转化；用自来水清洗，自来水浸泡，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜；
方式二：将步骤(1)得到的铸膜液利用干湿纺丝设备纺制初生态中空纤维膜丝，经过25-30℃、相对湿度为40％-70％的空气段后，进入体积浓度为50％-95％的醇水溶液中完成相转化，用自来水清洗，自来水浸泡，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
步骤(1)恒温水浴搅拌的时间为4-12h；静置脱泡时间为4-12h。
疏水性无机纳米颗粒为SiO2纳米颗粒、TiO2纳米颗粒或蒙脱土纳米颗粒。
极性非质子溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基乙酰胺。
致孔剂为PEG-400、PEG-600或PVP。
所述醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇。
步骤(2)自来水浸泡的时间为24-72h，期间每隔12个小时更换一次自来水。
本发明的有益效果是：本发明制得的膜的表面及孔道内壁都具有微纳双微观结构，从而实现膜表面和膜孔内壁的超疏水，克服了已有超疏水PVDF改性膜仅对膜表面实现超疏水改性的不足，整体上提高了膜的抗润湿性能，适用于膜蒸馏、支撑液膜、渗透蒸馏和膜吸收等领域。此外，该超疏水膜制备方法简单、灵活、成本低廉，适用于平板膜和中空纤维膜的制备。
附图说明
图1为实施例1制得的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜膜表面以及膜断面的SEM图；
图2为实施例2制得的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜膜表面以及膜断面的SEM图；
图3为实施例3制得的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜膜表面以及膜断面的SEM图；
图4为实施例4制得的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜膜表面以及膜断面的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配置铸膜液：将1.7g干燥的TiO2纳米颗粒放入73mLN-甲基吡咯烷酮中，加入0.86mL的PEG-400，搅拌使TiO2纳米颗粒分散，得到悬浮液，将17g干燥的PVDF(聚偏氟乙烯)粉体放入所述悬浮液中，60℃恒温水浴搅拌12h使均匀，静置脱泡12h，得到铸膜液；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液置于玻璃支撑板上用刮膜机刮制得200μm左右厚度的初生平板膜，在28℃、相对湿度为60％的空气中停留60s，放入体积浓度为75％的甲醇水溶液中，完成相转化；用自来水清洗，自来水浸泡72h，期间每隔12个小时更换一次自来水，取出，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了SEM与接触角测试，得到结果如图1所示：膜表面和膜孔道内壁均呈现微纳双微观微球结构，有效提高了膜表面及膜孔内的疏水性，膜正面接触角达到154°。
实施例2
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配置铸膜液：将1.95g干燥的SiO2纳米颗粒放入81mLN,N-二甲基甲酰胺中，加入4.3mL的PEG-600，搅拌使SiO2纳米颗粒分散，得到悬浮液，将13g干燥的PVDF粉体放入所述悬浮液中，70℃恒温水浴搅拌8h使均匀，静置脱泡8h，得到铸膜液；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液置于玻璃支撑板上用刮膜机刮制得200μm左右厚度的初生平板膜，在30℃、相对湿度为70％的空气中停留30s，放入体积浓度为95％的乙醇水溶液中，完成相转化；用自来水清洗，自来水浸泡72h，期间每隔12个小时更换一次自来水，取出，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了SEM与接触角测试，得到结果如图2所示：膜表面和膜孔道内壁均呈现微纳双微观微球结构，有效提高了膜表面及膜孔内的疏水性，膜正面接触角达到164°。
实施例3
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配置铸膜液：将0.5g干燥的TiO2纳米颗粒放入75mLN,N-二甲基甲酰胺中，加入1mL的PVP，搅拌使TiO2纳米颗粒分散，得到悬浮液，将10g干燥的PVDF粉体放入所述悬浮液中，60℃恒温水浴搅拌12h使均匀，静置脱泡12h，得到铸膜液；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液置于玻璃支撑板上用刮膜机刮制得200μm左右厚度的初生平板膜，在25℃、相对湿度为40％的空气中停留60s，放入体积浓度为50％的正丙醇(也可以用异丙醇)水溶液中，完成相转化；用自来水清洗，自来水浸泡24h，期间每隔12个小时更换一次自来水，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了SEM与接触角测试，得到结果如图3所示：膜表面和膜孔道内壁均呈现微纳双微观微球结构，有效提高了膜表面及膜孔内的疏水性，膜正面接触角达到150°。
实施例4
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)配置铸膜液：将5g干燥的蒙脱土纳米颗粒放入88mLN,N-二甲基乙酰胺中，加入12.9mL的PEG-600，搅拌使蒙脱土纳米颗粒分散，得到悬浮液，将25g干燥的PVDF粉体放入所述悬浮液中，80℃恒温水浴搅拌4h使均匀，静置脱泡4h，得到铸膜液；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液置于玻璃支撑板上用刮膜机刮制得200μm左右厚度的初生平板膜，在30℃、相对湿度为70％的空气中停留10s，放入体积浓度为95％的正丁醇水溶液中，完成相转化；用自来水清洗，自来水浸泡48h，期间每隔12个小时更换一次自来水，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了SEM与接触角测试，得到结果如图4所示：膜表面和膜孔道内壁均呈现微纳双微观微球结构，有效提高了膜表面及膜孔内的疏水性，膜正面接触角达到157°。
实施例5
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)同实施例1步骤(1)；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液利用干湿纺丝设备纺制初生态中空纤维膜丝，经过28℃、相对湿度为60％的空气段后，进入体积浓度为75％的甲醇水溶液中完成相转化，用自来水清洗，自来水浸泡，72h，期间每隔12个小时更换一次自来水，取出，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了接触角测试，膜正面接触角达到152°。
实施例6
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)同实施例2步骤(1)；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液利用干湿纺丝设备纺制初生态中空纤维膜丝，经过30℃、相对湿度为70％的空气段后，进入体积浓度为95％的乙醇水溶液中完成相转化，用自来水清洗，自来水浸泡72h，期间每隔12个小时更换一次自来水，取出，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了接触角测试，膜正面接触角达到160°。
实施例7
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)同实施例3步骤(1)；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液利用干湿纺丝设备纺制初生态中空纤维膜丝，经过25℃、相对湿度为40％的空气段后，进入体积浓度为50％的正丙醇水溶液中完成相转化，用自来水清洗，自来水浸泡，24h，期间每隔12个小时更换一次自来水，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了接触角测试，膜正面接触角达到150°。
实施例8
一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)同实施例4步骤(1)；
(2)将步骤(1)得到的铸膜液利用干湿纺丝设备纺制初生态中空纤维膜丝，经过30℃、相对湿度为70％的空气段后，进入体积浓度为95％的正丁醇水溶液中完成相转化，用自来水清洗，自来水浸泡48h，期间每隔12个小时更换一次自来水，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
对得到的具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜进行了接触角测试，膜正面接触角达到156°。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)配置铸膜液：按比例将0.5-5g干燥的疏水性无机纳米颗粒放入73-88mL极性非质子溶剂中，加入0.86-12.9mL致孔剂，搅拌使疏水性无机纳米颗粒分散，得到悬浮液，将10-25g干燥的PVDF粉体放入所述悬浮液中，60-80℃恒温水浴搅拌均匀，静置脱泡，得到铸膜液；
(2)用下述两种方式进行：
方式一：将步骤(1)得到的铸膜液置于支撑板上刮制得初生平板膜，在25-30℃、相对湿度为40％-70％的空气中停留10-60s，放入体积浓度为50％-95％的醇水溶液中完成相转化；用自来水清洗，自来水浸泡，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜；
方式二：将步骤(1)得到的铸膜液利用干湿纺丝设备纺制初生态中空纤维膜丝，经过25-30℃、相对湿度为40％-70％的空气段后，进入体积浓度为50％-95％的醇水溶液中完成相转化，用自来水清洗，自来水浸泡，室温下干燥，得到具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)恒温水浴搅拌的时间为4-12h；静置脱泡时间为4-12h。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述疏水性无机纳米颗粒为SiO2纳米颗粒、TiO2纳米颗粒或蒙脱土纳米颗粒。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述极性非质子溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基乙酰胺。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述致孔剂为PEG-400、PEG-600或PVP。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或正丁醇。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于自来水浸泡的时间为24-72h，期间每隔12个小时更换一次自来水。
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