CN109453674A - 超薄复合膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在含有润湿剂的亲水聚合物水溶液中浸泡，然后转入水中浸泡，取出后去除膜面残余水或/和干燥；(2)在步骤(1)中所得的聚烯烃电池隔膜上进行界面聚合，界面聚合后热处理，得到超薄复合膜。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)聚烯烃电池隔膜亲水改性后可极大提高水相在基膜表面附着的均匀程度，分离层均匀性好；(2)复合膜的两层均有良好的耐溶剂性，具备有机溶剂体系的潜在应用前景；(3)复合膜厚度大大减薄，仅为传统聚酰胺复合膜厚度的15％左右，有望大幅缩小膜元件的体积。

Description

超薄复合膜的制备方法
技术领域
本发明涉及膜分离领域，具体涉及一种超薄复合膜的制备方法。
背景技术
膜分离是以选择性分离膜(复合膜)为介质，以压力、浓度和电位等为驱动力，实现原料各组分分离的技术。因其工艺简单、效率高、能耗低的优点而广泛应用于水处理、石油化工、海水淡化和生物医药等领域。而复合膜由多孔支撑层和附着于其上的超薄分离层所组成，这种组合形式使得复合膜兼具高强度和高选择性，尤其适用于纳滤、反渗透、渗透汽化等膜过程。复合膜的制备方法包括层压法、浸涂法、等离子体气相沉积法和界面聚合法，通过这些方法得到的分离层通常极薄。因此复合膜的厚度往往取决于多孔支撑层。
目前，行业内用于纳滤和反渗透的复合膜均以无纺布衬底的聚砜超滤膜为基膜。尽管聚砜层的厚度已被尽可能地削减，但因无纺布面临严格的强度、光滑度、密度的限制，其厚度难以进一步减薄。对于由纳滤膜和反渗透膜卷制的膜元件来说，膜厚度已成为除膜通量之外，限制其产水速率的重要因素。因此，摈弃无纺布是膜片减薄的有效手段，这要求基膜独立承受较大的跨膜压力，极大地缩小了基膜的选材范围，这方面业内尚无先例。学术界曾有在聚丙烯(PP)基膜表面通过界面聚合制备反渗透膜的研究，但这需要事先对PP基膜进行等离子体处理以提供亲水性，涉及复杂的前处理设备。
聚烯烃电池隔膜具有厚度薄、强度高、孔隙度高的特点，完全满足复合膜基膜对孔隙和强度的要求，可以取代无纺布与聚砜层制备更薄的纳滤或反渗透复合膜。但是这类薄膜疏水性很强，不利于水相溶液在膜表面吸附和铺展，从而难于通过界面聚合法在膜表面形成完好连续的脱盐层，这成为聚烯烃电池隔膜取代聚砜基膜制备复合膜的最大难题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的聚烯烃电池隔膜用作基膜制备复合膜中的难于水相浸润与铺展问题，提供一种易于水相润湿和铺展的超薄复合膜的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在含有润湿剂的亲水聚合物水溶液中浸泡，然后转入水中浸泡，取出后去除膜面残余水或/和干燥；
(2)在步骤(1)中所得的聚烯烃电池隔膜上进行界面聚合，界面聚合后热处理，得到超薄复合膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)聚烯烃电池隔膜亲水改性后可极大提高水相在基膜表面附着的均匀程度，分离层均匀性好；
(2)复合膜的两层均有良好的耐溶剂性，具备有机溶剂体系的潜在应用前景；
(3)复合膜厚度大大减薄，仅为传统聚酰胺复合膜厚度的15％左右，有望大幅缩小膜元件的体积。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供一种超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在含有润湿剂的亲水聚合物水溶液中浸泡，然后转入水中浸泡，取出后去除膜面残余水或/和干燥；
(2)在步骤(1)中所得的聚烯烃电池隔膜上进行界面聚合，界面聚合后热处理，得到超薄复合膜。
本发明通过选用聚烯烃电池隔膜作为基膜，对其进行简单的亲水化改性，显著提高了水相润湿和铺展，从而有利于通过界面聚合法在膜表面构建完好连续的脱盐层，最终获得超薄、完整的复合膜。
在本发明步骤(1)中，所述基膜在含有润湿剂的亲水聚合物水溶液中浸泡10s-30min，然后转入水中浸泡10s-20min，可使得基膜获得较好的亲水化改性效果。
在本发明步骤(1)中，以亲水聚合物水溶液的总重量为基准，所述亲水聚合物的含量为0.1-5wt％。
在本发明步骤(1)中，以亲水聚合物水溶液的总重量为基准，所述润湿剂的含量为5-30wt％。
在本发明步骤(1)中，所述亲水聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种，可使得基膜获得较好的聚合效果。
在本发明步骤(1)中，所述润湿剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇和异丁醇中的至少一种，既能润湿基膜，又能与水互溶。
在本发明步骤(1)中，所述聚烯烃电池隔膜的材质为聚乙烯、聚丙烯或乙烯与丙烯的共聚物。
在本发明步骤(2)中，所述界面聚合为水相单体、油相单体涂覆一面或两面。这里的水相单体、油相单体涂覆一面是指可以在膜的一面先涂覆水相，再涂覆油相；也可以在膜的一面先涂覆油相，再涂覆水相；水相单体、油相单体涂覆两面是指可以在膜的两面先涂覆水相，再涂覆油相，也可以在膜的两面先涂覆油相，再涂覆水相，还可以同时在膜的两面分别涂覆水、油两相。
优选情况下，所述水相单体为多元胺、多元醇和多元酚类化合物中至少一种。
优选情况下，所述油相单体为多元酰氯化合物。
在本发明步骤(2)中，所述热处理的条件包括：干燥温度为30-120℃。
在本发明步骤(2)中，所述超薄复合膜的型式为平板膜、管式膜或中空纤维膜。
本发明制备方法简单，而且得到的超薄复合膜完整、均匀，膜整体厚度降至20μm以下。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，
膜脱盐率和水通量按照《GB/T 34242-2017》中的方法测定，测试液为2000ppm的硫酸镁溶液，测试压力为70Psi；
膜厚度采用日本Mitutoyo 215-151-10型厚度仪测得。
聚烯烃电池隔膜均为厚度20μm的聚乙烯锂离子电池隔膜；
油相均为0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液。
在没有特别说明的情况下，其它所用原料均采用市售产品。
实施例1
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在聚乙二醇的溶液(20wt％乙醇+3wt％PEG6000)中浸泡5min，然后转入纯水中浸泡2min，取出后沥去残余水并烘干；
(2)将所得的聚烯烃电池隔膜用硅胶框定在玻璃板上，向框内倒入水相溶液(1.0wt％的PIP)，30s后排掉水相溶液，用胶辊辗去膜面残余水相，然后将水相溶液处理后的聚烯烃电池隔膜用硅胶框再定在玻璃板上，向框内倒入油相，30s后排掉油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，再将经界面聚合后的聚烯烃电池隔膜放入在100℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
实施例2
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在聚乙烯吡咯烷酮溶液(15wt％异丙醇+3wt％PVP K30)中浸泡10min，然后转入纯水水中浸泡2min，取出后沥去残余水并烘干；
(2)将所得的聚烯烃电池隔膜用硅胶框定在玻璃板上，向框内倒入水相溶液(1.0wt％的PIP)，30s后排掉水相溶液，用胶辊辗去膜面残余水相，然后将水相溶液处理后的聚烯烃电池隔膜用硅胶框再定在玻璃板上，向框内倒入油相，30s后排掉油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，再将经界面聚合后的聚烯烃电池隔膜放入在80℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
实施例3
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在聚乙烯醇溶液(20wt％异丙醇+1wt％PVA)中浸泡3min，然后转入纯水中浸泡2min，取出后用胶辊辗去膜面残余水；
(2)将所得的聚烯烃电池隔膜用硅胶框定在玻璃板上，向框内倒入水相溶液(0.8wt％的PIP)，30s后排掉水相溶液，用胶辊辗去膜面残余水相，然后将水相溶液处理后的聚烯烃电池隔膜用硅胶框再定在玻璃板上，向框内倒入油相，30s后排掉油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，再将经界面聚合后的聚烯烃电池隔膜放入在50℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
实施例4
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在聚乙烯醇溶液(20wt％IPA+1wt％PVA)中浸泡10s，然后转入纯水中浸泡10s，取出后沥去残余水并烘干；
(2)将所得的聚烯烃电池隔膜悬空固定，用喷涂头从两侧同时向膜喷涂水相溶液(0.5％PIP)和油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，30s后停止喷涂，将膜取下放入30℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
实施例5
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在聚乙烯醇溶液(5wt％甲醇+0.1wt％PVA)中浸泡3min，然后转入纯水中浸泡2min，取出后沥去残余水并烘干；
(2)将所得的聚烯烃电池隔膜悬空固定，用喷涂头从两侧同时向膜喷涂水相溶液(0.8％PIP)和油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，30s后停止喷涂，将膜取下放入30℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
实施例6
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在聚乙二醇的溶液(5wt％异丁醇+5wt％PEG6000)中浸泡30min，然后转入纯水中浸泡20min，取出后沥去残余水并烘干；
(2)将所得的聚烯烃电池隔膜用硅胶框定在玻璃板上，向框内倒入水相溶液(1.5wt％的PIP)，30s后排掉水相溶液，用胶辊辗去膜面残余水相，然后将水相溶液处理后的聚烯烃电池隔膜用硅胶框再定在玻璃板上，向框内倒入油相，30s后排掉油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，再将经界面聚合后的聚烯烃电池隔膜放入在120℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
对比例1
超薄复合膜的制备方法，包括以下步骤：
将未经任何处理的聚烯烃电池隔膜平铺于玻璃板上，并用硅胶框定在玻璃板上，向框内倒入水相溶液(1.0wt％的的PIP)，30s后去除水相溶液，用胶辊辗去膜面残余水相，接着将水相处理后的聚烯烃电池隔膜用硅胶框再定在玻璃板上，向框内倒入油相溶液(0.3wt％的均苯三甲酰氯的Isopar E溶液)，30s后排掉油相溶液，再将经界面聚合后的聚烯烃电池隔膜放入在100℃烘箱中烘干，得到超薄复合膜。
应用例
按照实施例3制备多张膜片，分别将其卷制成1807尺寸的膜元件(有效膜面积为0.48-0.5m2)，在70Psi的压力、15％的回收率下，元件对2000ppm的硫酸镁平均截留率为97.32％，平均产水速率为116GPD。
测试例
将实施例1-6和对比例1制得的超薄复合膜按照《GB/T 34242-2017》中的膜脱盐率和水通量方法进行测定，测定结果见表1所示，其中测试液为2000ppm的硫酸镁溶液，测试压力为70Psi；膜厚度采用日本Mitutoyo215-151-10型厚度仪测定，测定结果见表1所示。
表1
实施例编号 水通量(L·m<sup>-2</sup>·h<sup>-1</sup>) 脱盐率 厚度(μm)
实施例1 38.97 90.22％ 20.0
实施例2 47.10 95.66％ 20.5
实施例3 44.16 98.68％ 19.5
实施例4 45.30 97.50％ 19.0
实施例5 40.85 96.33％ 19.5
实施例6 36.61 98.15％ 21.0
对比例1 不透水 0 20.0
通过表1的结果可以看出，实施例1-6制得超薄复合膜具有良好的脱盐率和水通量。可见，本发明采用的亲水化改性工艺对于在疏水的聚乙烯电池隔膜表面构建脱盐层具有关键作用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超薄复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚烯烃电池隔膜作为基膜先在含有润湿剂的亲水聚合物水溶液中浸泡，然后转入水中浸泡，取出后去除膜面残余水或/和干燥；
(2)在步骤(1)中所得的聚烯烃电池隔膜上进行界面聚合，界面聚合后热处理，得到超薄复合膜。
2.根据权利要求1所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基膜在含有润湿剂的亲水聚合物水溶液中浸泡10s-30min，然后转入水中浸泡10s-20min。
3.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，以亲水聚合物水溶液的总重量为基准，所述亲水聚合物的含量为0.1-5wt％。
4.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，以亲水聚合物水溶液的总重量为基准，所述润湿剂的含量为5-30wt％。
5.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述亲水聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述润湿剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇和异丁醇中的至少一种。
7.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述聚烯烃电池隔膜的材质为聚乙烯、聚丙烯或乙烯与丙烯的共聚物。
8.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述界面聚合为水相单体、油相单体涂覆一面或两面；
优选地，所述水相单体为多元胺、多元醇和多元酚类化合物中至少一种；
优选地，所述油相单体为多元酰氯化合物。
9.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述热处理的条件包括：干燥温度为30-120℃。
10.根据权利要求1或2所述的超薄复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超薄复合膜的型式为平板膜、管式膜或中空纤维膜。
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