CN110743381A - 膜基材、分离膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

膜基材，其特征在于由构成膜基材主体的主体纤维、起到增加膜基材的刚性和挺度作用的高弯曲模量纤维和用于将主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成立体网络状结构的粘合纤维构成，膜基材中所述的主体纤维质量占比为40%~80%，高弯曲模量纤维质量占比为1~30%，粘合纤维质量占比为15~40%。本发明显著降低涂布树脂后膜基材受膜固化收缩导致的宽度方向的弯曲程度，显著增加膜基材的刚性和挺度，使膜基材宽度方向不容易变形，抑制膜基材起皱现象的出现，膜基材的表面更加平滑、致密，在膜基材变薄的同时能满足的制膜要求。本发明还提供一种分离膜及其制备方法。

Description

膜基材、分离膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种膜基材，属于分离膜的支撑材料，本发明还涉及一种分离膜及其制备方法。

背景技术

在海水淡化、水的净化、废水处理、超纯水制造、食品浓缩等领域中，广泛使用分离膜，分离膜由聚砜系树脂、纤维素系树脂、氟系树脂、聚酰胺系树脂、聚酰亚胺系树脂、聚丙烯腈系树脂等合成树脂构成。但是由于分离膜机械强度差，不能承受使用时的压力，因此，一般采用在无纺布等纤维基材的一面上附着分离膜的方式使用。

在以分离膜基材为支撑材料制备分离膜广泛采用如下方法：将上述聚砜系树脂等合成树脂溶解在有机溶剂中形成溶液，将该溶液涂覆在分离膜基材上，形成分离膜，如微滤膜、超滤膜和平板MBR膜等；或者以此涂覆有上述树脂的分离膜基材为基膜，通过界面聚合等方法在基膜上进一步形成更致密的分离层，如纳滤膜、反渗透膜等分离膜。为了更有效的进行过滤，分离膜与导流网、中心导流管等一起被加工成螺旋形的分离膜元件。

由于分离膜被广泛的组装成螺旋型组件来使用，在其一定体积中能够收纳的分离膜的面积越多，在对膜组件的性能提升越有利，因此希望分离膜的基材要尽可能的轻和薄。

然而，如果使基材的变薄，则基材的刚性变弱，在基材的单面涂布设置分离膜时，由于涂布的分离膜固化、受热时收缩，产生宽度方向的弯曲变大、即中央部成为凹状弯曲甚至卷曲的问题。如果宽度方向的弯曲过大，将导致分离膜的制作过程中的容易褶皱，切割成平板状后甚至将卷曲成筒状，导致分离膜与导流网叠合、膜组件卷制等后续工序无法正常进行。

专利文献《膜的支撑体》（申请号201180062366.6）中公开的方法：将长度方向的拉伸强度与宽度方向的拉伸强度不同的多张无纺布片材层叠，通过加热加压，制备出带有预先中央凸起的弯曲的膜的支撑体（即膜基材），上述膜基材因带有预先中央凸起，在涂覆树脂前容易在输送辊上起皱而导致无法正常涂覆，或者因中央凸起导致涂覆层的厚薄不均，进而影响分离膜的性能。此外，由于不同配方制备的分离膜的收缩性不一致，这种带有预先中央凸起的膜基材的应用受到限制。

专利文献《半透膜支撑体、螺旋型半透膜元件及半透膜支撑体的制造方法》（申请号201080047695.9）中公开的方法，添加的原纤化的有机纤维（将液晶性高分子处理为纸浆状的物质），虽然耐热性较好，但模量不够，制备成的膜支撑体（即膜基材）刚性和挺度不够，在涂敷上分离膜溶液后，因分离膜的收缩导致的膜基材宽度方向的弯曲程度仍较高。

发明内容

本发明提供的膜基材， 显著降低涂布树脂后膜基材受膜固化收缩导致的宽度方向的弯曲程度，显著增加膜基材的刚性和挺度，使膜基材宽度方向不容易变形，抑制膜基材起皱现象的出现，膜基材的表面更加平滑、致密，在膜基材变薄的同时能满足的制膜要求。本发明还提供一种分离膜及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

膜基材，其特征在于由构成膜基材主体的主体纤维、起到增加膜基材的刚性和挺度作用的高弯曲模量纤维和用于将主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成立体网络状结构的粘合纤维构成，膜基材中所述的主体纤维质量占比为40%~80%，高弯曲模量纤维质量占比为1~30%，粘合纤维质量占比为15~40%。

优选的，所述的主体纤维和粘合纤维均为聚酯纤维、聚烯烃纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、聚苯硫醚纤维和聚乙烯醇纤维中的一种或多种混合，所述的高弯曲模量纤维为碳纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或超高分子量聚乙烯纤维。

优选的，所述的粘合纤维为低熔点聚酯纤维或未拉伸的聚酯纤维。

优选的，所述的主体纤维为纤维直径5~10μm且纤维长度为4~6mm的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，所述的粘合纤维为纤维直径为10~15μm 且纤维长度为4~6mm 的未拉伸聚酯纤维，所述的高弯曲模量纤维为纤维直径为5~10μm且纤维长度为4~6mm的碳纤维。

优选的，膜基材中主体纤维重量的质量占比不低于50%，粘合纤维质量占比不超到40%，高弯曲模量纤维质量占比不超过10%。

优选的，所述的膜基材厚度为30～150微米，单位面积重量为20 ～ 120克/平方米、透气度为0.1 ～ 8.0毫升/平方厘米/秒。

分离膜，包括膜基材和与膜基材结合的树脂，其特征在于所述的膜基材为以上所述的膜基材。

优选的，所述的分离膜宽度方向卷曲曲高度不超过20mm。

以上所述的分离膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）膜基材的制备：采用湿法造纸法、干法无纺布制造方法和/或湿法无纺布制造方法，以所述的主体纤维、粘合纤维和高弯曲模量纤维为原料制备成膜基材；

（2）膜基材结合面涂覆树脂：将树脂溶液涂覆到膜基材的结合面，经过相转化凝固、清洗、热水处理，制得分离膜；

（3）分离膜宽度方向卷曲程度的测试：将制得的分离膜裁断成宽度为300mm、长度为500mm的片状，放置在水平台上测量宽度方向两端向上卷起的高度。

优选的，”膜基材的制备”采用湿法造纸法，具体为：将主体纤维，粘合纤维和高弯曲模量纤维按质量占比称重并充分分散在水中，制备成纤维浓度为0.05％的水性浆料，用斜网抄纸机进行抄纸，所形成的湿纸用表面温度130℃的杨克式烘缸烘干，然后将片材再在使用由金属辊/金属辊构成的热压机上于200℃下，压力为150 N/mm，以5m/min的条件进行压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。

发明的有益效果是：

本发明的膜基材中主体纤维构成膜基材的主体，粘合纤维将主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成立体网络状结构，而高弯曲模量纤维则起到增强膜基材的刚性和挺度的作用，显著降低涂布树脂后膜基材受膜固化收缩导致的宽度方向的弯曲程度，显著增加膜基材的刚性和挺度，使膜基材宽度方向不容易变形，抑制膜基材起皱现象的出现，膜基材的表面更加平滑、致密，在膜基材变薄的同时能满足的制膜要求。

显著降低涂布树脂后膜基材受膜固化收缩导致的宽度方向的弯曲程度，膜基材的结合面涂覆树脂形成分离膜后，宽度方向的弯曲基本可忽略，抑制分离膜加工成平板状时卷曲成筒状，提高分离膜的抗卷曲性能，以便分离膜顺利进行下一道工序加工。

在膜基材中添加了高弯曲模量纤维，较目前其他未添加高弯曲模量纤维的膜基材，膜基材的刚性和挺度增加，膜基材宽度方向不容易变形，增加了膜基材的刚性，膜基材通过制膜工序制成分离膜后宽度方向产生的弯曲十分微小，随着膜基材中高弯曲模量纤维的含量增加，分离膜的弯曲随之降低，因此可根据分离膜的使用需求对膜基材中的高弯曲模量纤维进行含量调整，满足分离膜的加工需求。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明。

膜基材，其特征在于由构成膜基材主体的主体纤维、起到增加膜基材的刚性和挺度作用的高弯曲模量纤维和用于将主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成立体网络状结构的粘合纤维构成，膜基材中所述的主体纤维质量占比为40%~80%，高弯曲模量纤维质量占比为1~30%，粘合纤维质量占比为15~40%。

膜基材中主体纤维构成膜基材的主体，粘合纤维将主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成立体网络状结构，而高弯曲模量纤维则起到增强膜基材的刚性和挺度的作用，以显著降低涂布树脂后膜基材受膜固化收缩导致的宽度方向的弯曲程度，显著增加膜基材的刚性和挺度，使膜基材宽度方向不容易变形，抑制膜基材起皱现象的出现，膜基材的表面更加平滑、致密，在膜基材变薄的同时能满足的制膜要求。

其中，所述的主体纤维和粘合纤维均为聚酯纤维、聚烯烃纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、聚苯硫醚纤维和聚乙烯醇纤维中的一种或多种混合，所述的高弯曲模量纤维为碳纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或超高分子量聚乙烯纤维。高弯曲模量纤维选择高强度高模量的纤维材质，其强度和模量比主体纤维和粘合纤维更高。

其中，所述的粘合纤维为低熔点聚酯纤维或未拉伸的聚酯纤维，粘合性能更好。

其中，所述的主体纤维为纤维直径5~10μm且纤维长度为4~6mm的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，所述的粘合纤维为纤维直径为10~15μm 且纤维长度为4~6mm 的未拉伸聚酯纤维，所述的高弯曲模量纤维为纤维直径为5~10μm且纤维长度为4~6mm的碳纤维。高弯曲模量纤维与主体纤维的直径相近，纤维长度相等，粘合纤维的直径更大而纤维长度与高弯曲模量纤维和主体纤维相等，提高粘合纤维、主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成的立体网络状结构的结构强度和均匀性，从而进一步提高膜基材的刚度和挺度。

其中，膜基材中主体纤维重量的质量占比不低于50%，粘合纤维质量占比不超到40%，高弯曲模量纤维质量占比不超过10%，制得的膜基材的刚性和挺度，膜基材通过制膜工序制成分离膜后宽度方向产生的弯曲十分微小，可满足分离膜的加工需求。

其中，所述的膜基材厚度为30～150微米，单位面积重量为20 ～ 120克/平方米、透气度为0.1 ～ 8.0毫升/平方厘米/秒，相比于目前其他未添加高弯曲模量纤维的膜基材更加平滑、致密且刚性好。

分离膜，包括膜基材和与膜基材结合的树脂，其特征在于所述的膜基材为以上所述的膜基材。分离膜宽度方向的弯曲基本可忽略，抑制分离膜加工成平板状时卷曲成筒状，提高分离膜的抗卷曲性能。

所述的分离膜宽度方向卷曲曲高度不超过20mm，可有效抑制分离膜加工成平板状时卷曲成筒状。

以上所述的分离膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）膜基材的制备：采用湿法造纸法、干法无纺布制造方法和/或湿法无纺布制造方法，以所述的主体纤维、粘合纤维和高弯曲模量纤维为原料制备成膜基材；

（2）膜基材结合面涂覆树脂：将树脂溶液涂覆到膜基材的结合面，经过相转化凝固、清洗、热水处理，制得分离膜；

（3）分离膜宽度方向卷曲程度的测试：将制得的分离膜裁断成宽度为300mm、长度为500mm的片状，放置在水平台上测量宽度方向两端向上卷起的高度。

其中，”膜基材的制备”采用湿法造纸法，具体为：将主体纤维，粘合纤维和高弯曲模量纤维按质量占比称重并充分分散在水中，制备成纤维浓度为0.05％的水性浆料，用斜网抄纸机进行抄纸，所形成的湿纸用表面温度130℃的杨克式烘缸烘干，然后将片材再在使用由金属辊/金属辊构成的热压机上于200℃下，压力为150 N/mm，以5m/min的条件进行压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。

以下为分离膜的制备方法的具体实施例：

实施例1：

（1）膜基材的制备

将主体纤维（纤维直径为7μm且纤维长度为5mm 的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维）质量占比57％，粘合纤维（纤维直径为11μm 且纤维长度为5mm 的未拉伸PET 纤维）质量占比35％和高弯曲模量纤维（纤维直径为8μm且纤维长度为5mm的碳纤维）质量占比8%，按质量占比称重并充分分散在水中，制备成纤维浓度为0.05％的水性浆料，用斜网抄纸机进行抄纸，所形成的湿纸用表面温度130℃的杨克式烘缸烘干，然后将片材再在使用由金属辊/金属辊构成的热压机上于200℃下，压力为150 N/mm，以5m/min的条件进行压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。

（2）膜基材宽度方向卷曲程度的测试

将该上述膜基材裁断成400mm（宽度）×600mm（长度）的尺寸的片状，该膜基材放置在水平台上，测量宽度方向两端向上卷起的高度，经测量上述高度为0mm。

（3）膜基材结合面涂覆树脂

将聚砜充分溶解于N，N-二甲基酰胺（DMF）中，形成浓度为16%的树脂溶液，将溶液涂覆到膜基材的结合面，经过相转化凝固、清洗、热水处理，制得分离膜。

（4）分离膜宽度方向卷曲程度的测试

将该上述分离膜裁断成300mm（宽度）×500mm（长度）的尺寸的片状，将分离膜放置在水平台上，测量宽度方向两端向上卷起的高度，经测量上述高度为10mm。

实施例2：

（1）膜基材的制备

将主体纤维（纤维直径为7μm且纤维长度为5mm 的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维）质量占比59％，粘合纤维（纤维直径为11μm 且纤维长度为5mm 的未拉伸PET 纤维）质量占比35％和高弯曲模量纤维（纤维直径为8μm且纤维长度为5mm的碳纤维）质量占比6%，其他条件同实施例1，进行湿法抄纸和压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。

（2）膜基材宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1所述进行测试，经测量上述高度为0mm。

（3）膜基材结合面涂覆树脂

按照实施例1所述进行试验，制得分离膜。

（4）分离膜宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1所述进行测试，经测量上述高度为12mm。

实施例3：

（1）膜基材的制备

将主体纤维（纤维直径为7μm且纤维长度为5mm 的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维）质量占比61％，粘合纤维（纤维直径为11μm 且纤维长度为5mm 的未拉伸PET 纤维）质量占比35％和高弯曲模量纤维（纤维直径为8μm且纤维长度为5mm的碳纤维）质量占比4%，其他条件同实施例1，进行湿法抄纸和压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。

（2）膜基材宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1进行测试，经测量上述高度为0mm。

（3）膜基材结合面涂覆树脂

按照实施例1所述进行试验，制得分离膜。

（4）分离膜宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1进行测试，经测量上述高度为15mm。

实施例4：

（1）膜基材的制备

将主体纤维（纤维直径为7μm且纤维长度为5mm 的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维）质量占比63％，粘合纤维（纤维直径为11μm 且纤维长度为5mm 的未拉伸PET 纤维）质量占比35％和高弯曲模量纤维（纤维直径为8μm且纤维长度为5mm的碳纤维）质量占比2%，其他条件同实施例1，进行湿法抄纸和压光，得到单位面积重量为70克/平方米膜的基材。

（2）膜基材宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1进行测试，经测试上述高度为0mm。

（3）膜基材结合面涂覆树脂

按照实施例1所述进行试验，制得分离膜。

（4）分离膜宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1进行测试，经测量上述高度为19mm。

比较例：

（1）膜的基材的制备

将主体纤维（纤维直径为7μm且纤维长度为5mm 的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维）质量占比65％，粘合纤维（纤维直径为11μm 且纤维长度为5mm 的未拉伸PET 纤维）质量占比35％，按质量占比称重并充分分散在水中，制备成纤维浓度为0.05％的水性浆料，用斜网抄纸机进行抄纸，所形成的湿纸用表面温度130℃的杨克式烘缸烘干，然后将片材再在使用由金属辊/金属辊构成的热压机上于200℃下，压力为150 N/mm，以5m/min的条件进行压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。

（2）膜基材宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1进行测试，经测量上述高度为0mm。

（3）膜基材结合面涂覆树脂

按照实施例1所述进行试验，制得分离膜。

（4）分离膜宽度方向卷曲程度的测试

按照实施例1进行测试，由于分离膜的收缩，从宽度方向两边向中间卷曲，形成直径约40mm的筒状，由于该分离膜基材卷曲成筒状，无法通过下一道工序，产生了不良影响。

下面为实施例1~4以及对比例1制备成的膜基材和分离膜的性能测试数据表：

如上表所述，实施例1～4中，膜基材宽度方向基本没有弯曲，通过制膜工序制成分离膜后，宽度方向产生的弯曲十分微小，并且随着基材中高弯曲模量纤维的含量增加，弯曲而程度降低。而比较例中分离膜宽度方向产生严重卷曲，卷成圆筒状。高弯曲模量纤维的加入，明显增加了膜基材的刚性，能使膜基材变得更薄的同时能满足的制膜要求，显著降低涂布树脂后膜基材受膜固化收缩导致的宽度方向的弯曲程度，抑制分离膜加工成平板状时卷曲成筒状，以便分离膜顺利进行下一道工序加工，随着膜基材中高弯曲模量纤维的含量增加，分离膜的弯曲随之降低，因此可根据分离膜的使用需求对膜基材中的高弯曲模量纤维进行含量调整，满足分离膜的加工需求。

以上对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.膜基材，其特征在于由构成膜基材主体的主体纤维、起到增加膜基材的刚性和挺度作用的高弯曲模量纤维和用于将主体纤维和高弯曲模量纤维粘合成立体网络状结构的粘合纤维构成，膜基材中所述的主体纤维质量占比为40%~80%，高弯曲模量纤维质量占比为1~30%，粘合纤维质量占比为15~40%。

2.根据权利要求1所述的膜基材，其特征在于所述的主体纤维和粘合纤维均为聚酯纤维、聚烯烃纤维、尼龙纤维、芳纶纤维、聚苯硫醚纤维和聚乙烯醇纤维中的一种或多种混合，所述的高弯曲模量纤维为碳纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或超高分子量聚乙烯纤维。

3.根据权利要求2所述的膜基材，其特征在于所述的粘合纤维为低熔点聚酯纤维或未拉伸的聚酯纤维。

4.根据权利要求3所述的膜基材，其特征在于所述的主体纤维为纤维直径5~10μm且纤维长度为4~6mm的拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，所述的粘合纤维为纤维直径为10~15μm且纤维长度为4~6mm 的未拉伸聚酯纤维，所述的高弯曲模量纤维为纤维直径为5~10μm且纤维长度为4~6mm的碳纤维。

5.根据权利要求1所述的膜基材，其特征在于膜基材中主体纤维重量的质量占比不低于50%，粘合纤维质量占比不超到40%，高弯曲模量纤维质量占比不超过10%。

6.根据权利要求1所述的膜基材，其特征在于所述的膜基材厚度为30～150微米，单位面积重量为20 ～ 120克/平方米、透气度为0.1 ～ 8.0毫升/平方厘米/秒。

7.分离膜，包括膜基材和与膜基材结合的树脂，其特征在于所述的膜基材为权利要求1~6任一项所述的膜基材。

8.根据权利要求7所述的分离膜，其特征在于所述的分离膜宽度方向卷曲曲高度不超过20mm。

9.权利要求8所述的分离膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

膜基材的制备：采用湿法造纸法、干法无纺布制造方法和/或湿法无纺布制造方法，以所述的主体纤维、粘合纤维和高弯曲模量纤维为原料制备成膜基材；

膜基材结合面涂覆树脂：将树脂溶液涂覆到膜基材的结合面，经过相转化凝固、清洗、热水处理，制得分离膜；

分离膜宽度方向卷曲程度的测试：将制得的分离膜裁断成宽度为300mm、长度为500mm的片状，放置在水平台上测量宽度方向两端向上卷起的高度。

10.根据权利要求9所述的分离膜的制备方法，其特征在于”膜基材的制备”采用湿法造纸法，具体为：将主体纤维，粘合纤维和高弯曲模量纤维按质量占比称重并充分分散在水中，制备成纤维浓度为0.05％的水性浆料，用斜网抄纸机进行抄纸，所形成的湿纸用表面温度130℃的杨克式烘缸烘干，然后将片材再在使用由金属辊/金属辊构成的热压机上于200℃下，压力为150 N/mm，以5m/min的条件进行压光，得到单位面积重量为70克/平方米的膜基材。