CN108927012A - 一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于膜技术领域，提供了一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜及其制备方法。孔径在100‑2000nm的聚合物中空纤维膜作为支撑体，中空纤维膜表面功能层为碳纳米管，中空纤维膜表面功能层负载在支撑体表面，碳纳米管经过聚乙烯醇和丁二酸共同交联作用。将不同管径的碳纳米管真空抽滤到支撑体上，根据需要形成不同厚度的碳纳米管功能层，然后抽滤质量浓度为0.2％～1％的聚乙烯醇溶液，后浸泡于质量浓度为1％的丁二酸溶液中1h；取出后去离子水清洗，60℃条件下干燥固化得到柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。本发明的中空纤维膜的制备步骤简单；具有较好的稳定性和机械强度，良好的亲水性和导电性能，制备成本低。

Description

一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及到一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜及其制备方法，属于膜技术领域。

背景技术

半个世纪以来，膜分离技术具有无相变、高效、节能、设备和操作简便、无二次污染等优点，成为一项高效节能的新型技术，在食品加工、海水淡化、化工、能源、石油、医药、生物、环保等领域得到了开发和应用。与其它形态的分离膜相比，中空纤维膜因为具有填充密度大，单位体积膜面积大、成本低，适应性强等优点得到了广泛应用。然而在运行过程中，膜污染的存在造成膜渗透性降低，操作压力上升，能耗增大，运营成本增加，以及膜使用寿命减少等问题，影响了中空纤维膜的推广和应用。膜污染伴随着膜技术的应用一直存在，所以如何能缓解膜污染是一个值得探究的问题。最近几年，Gaoliang Wei等人和CM Werner等人在Environmental science&technology发表文章，均介绍了通过对导电中空纤维膜上施加负偏压的方式，能通过静电排斥的效应缓解膜污染，为解决该问题提供了新的思路。然而目前研究中的导电中空纤维膜主要由纳米碳材料自组装而成或者由金属材料制备而成。由纳米碳材料自组装而成的导电膜柔韧性、稳定性和机械强度差。由金属材料制备而成的金属导电膜柔韧性和稳定性差，且制备过程复杂，成本高。而柔韧性和稳定性是衡量中空纤维膜品质的重要参数，影响着膜的使用寿命和效果，所以柔韧性和稳定性上的问题影响了导电中空纤维膜的进一步发展和应用。目前没有一种柔韧性和稳定性良好，廉价，能大规模生产应用的导电中空纤维膜能满足市场需求。

发明内容

本发明主要针对目前导电膜柔韧性、稳定性和机械强度差，制备工艺复杂且成本高等不足，而提供一种制备工艺简单廉价，由碳纳米管功能化，柔韧稳定的导电中空纤维膜。通过控制交联过程中聚乙烯醇用量，0.2％质量浓度以上的交联处理保证了碳纳米管能够稳定的覆盖在支撑体中空纤维膜表面，而不会被水力冲刷导致脱落(图3)。

本发明的技术方案：

一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜，分为支撑体和功能层两部分，孔径在100-2000nm的聚合物中空纤维膜作为支撑体，中空纤维膜表面功能层为碳纳米管，中空纤维膜表面功能层负载在支撑体表面，碳纳米管经过聚乙烯醇和丁二酸共同交联作用。

所述的碳纳米管选用直径为2～100nm的单壁、双壁或多壁碳纳米管。

所述的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的孔径由所选碳纳米管的直径以及聚乙烯醇浓度调控。

交联所用的交联稳定剂为聚乙烯醇和丁二酸类聚合物。

一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的制备方法，步骤如下：

第一步，支撑体预处理

将支撑体在乙醇中超声处理10min后，利用去离子水清洗至中性并烘干备用；

第二步，碳纳米管分散液的制备

根据孔径的需求，将管径为2～100nm的碳纳米管均匀分散到水中，制备浓度为0.5～5mg/mL的碳纳米管分散液；

第三步，碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的成型

首先，将不同管径的碳纳米管真空抽滤到支撑体上，根据需要形成不同厚度的碳纳米管功能层，然后抽滤质量浓度为0.2％～1％的聚乙烯醇溶液，后浸泡于质量浓度为1％的丁二酸溶液中1h；取出后去离子水清洗，60℃条件下干燥固化得到柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。

本发明的有益效果：本发明的制备步骤简单；具有较好的稳定性和机械强度，良好的亲水性和导电性能，制备成本低。

附图说明

图1是碳纳米管功能化的导电中空纤维膜表面的扫描电镜图片。

图2是碳纳米管功能化的导电中空纤维膜功能层截面的扫描电镜图片。

图3是交联的导电中空纤维膜与未交联中空纤维膜的超声震荡处理后，碳纳米管的稳定性考查图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行说明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

实施例1制备超滤孔径的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。

用孔径为100nm的商业中空纤维膜作为支撑体，制备孔径在20-100nm范围内的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜，步骤如下：

第一步，支撑体商业膜预处理

将作为支撑体的商业膜用乙醇超声处理10min后，利用去离子水清洗至中性并烘干备用；

第二步，碳纳米管分散液的制备

根据孔径的需求，将管径为2～20nm的碳纳米管均匀分散到水中制备浓度为0.5mg/mL的分散液；

第三步，碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的成型

首先，将碳纳米管真空抽滤到商业膜支撑体上，然后抽滤质量浓度为0.2-1％的聚乙烯醇溶液，后浸泡于质量浓度为1％的丁二酸溶液中1h。取出后去离子水清洗，60度条件下干燥固化得到碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。

结果：根据孔径测试仪测定，得到的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的孔径在52±6nm范围，属于超滤中空纤维膜。扫描电镜照片显示碳纳米管交错形成网状结构，均匀覆盖在中空纤维膜基底上。

实施例2制备微滤孔径的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。

用孔径为400nm的商业中空纤维膜作为支撑体，制备孔径在100-300nm范围内的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜，步骤如下：

第一步，支撑体商业膜预处理

将作为支撑体的商业膜用乙醇超声处理10min后，利用去离子水清洗至中性并烘干备用；

第二步，碳纳米管分散液的制备

根据孔径的需求，将管径为60～100nm的碳纳米管均匀分散到水中制备浓度为0.5mg/mL的分散液；

第三步，碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的成型

首先，将碳纳米管真空抽滤到商业膜支撑体上，然后抽滤质量浓度为0.2％的聚乙烯醇溶液，后浸泡于质量浓度为1％的丁二酸溶液中1h。取出后去离子水清洗，60度条件下干燥固化得到碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。

结果：根据孔径测试仪测定，得到的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的孔径在148±13nm范围，属于微滤中空纤维膜。扫描电镜照片显示碳纳米管交错形成网状结构，均匀覆盖在中空纤维膜基底上。

以上所述实施例，只是本发明中典型的实施例，并不构成对本发明的不当限定，故凡依本发明申请专利范围所述的显而易见的改动，以及其它不脱离本发明实质的改动，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜，其特征在于，所述的柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜分为支撑体和功能层两部分，孔径在100-2000nm的聚合物中空纤维膜作为支撑体，中空纤维膜表面功能层为碳纳米管，中空纤维膜表面功能层负载在支撑体表面，碳纳米管经过聚乙烯醇和丁二酸类聚合物交联稳定剂共同作用。

2.根据权利要求1所述的柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜，其特征在于，所述的碳纳米管选用直径为2～100nm的单壁、双壁或多壁碳纳米管。

3.根据权利要求1或2所述的柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜，其特征在于，所述的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的孔径由所选碳纳米管的直径以及聚乙烯醇浓度调控。

4.一种柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，支撑体预处理

将支撑体在乙醇中超声处理10min后，利用去离子水清洗至中性并烘干备用；

第二步，碳纳米管分散液的制备

根据孔径的需求，将管径为2～100nm的碳纳米管均匀分散到水中，制备浓度为0.5～5mg/mL的碳纳米管分散液；

第三步，碳纳米管功能化的导电中空纤维膜的成型

首先，将不同管径的碳纳米管真空抽滤到支撑体上，根据需要形成不同厚度的碳纳米管功能层，然后抽滤质量浓度为0.2％～1％的聚乙烯醇溶液，后浸泡于质量浓度为1％的丁二酸溶液中1h；取出后去离子水清洗，60℃条件下干燥固化得到柔韧的碳纳米管功能化的导电中空纤维膜。