CN110898682A - 一种电气石改性聚氯乙烯分离膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过简单共混方法制备电气石改性聚氯乙烯(PVC)分离膜的方法，本发明属于膜分离技术领域，主要涉及一种提高亲水性和机械性能并能改善过滤水的质量的有机高分子分离膜技术。本发明的特征是在PVC铸膜液中加入改性的纳米级电气石粉，进而以N‑甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，水为凝固剂，通过浸没沉淀相转化法制备PVC/电气石平板分离膜。本发明产品的制备利用共混的方法，不需要复杂的设备，易于工业化生产，所得PVC/电气石分离膜能够提高膜的亲水性、机械性能及改善过滤水质量。

Description

一种电气石改性聚氯乙烯分离膜制备方法
【技术领域】：本发明属于膜分离技术领域，其特征涉及到一种提高膜的亲水性能和机械性能同时可以改善过滤水的质量的电气石改性高分子分离膜技术。
【背景技术】：电气石是最近新兴的一种矿物材料，其化学成分比较复杂，是一种由硼、钠、镁、铝、钙、铁等元素组成的且以含硼为特征的环状硅酸盐矿物。电气石的性能备受关注，尤其是自发永久电极性、发射远红外线、释放负离子等。具体表现如下：
(1)永久自发极化效应
电气石的永久自发极化主要表现为热电效应和压电效应。这两种性能是由于当外界的温度或者压力发生变化时，电气石晶体结构中单向极轴的存在使其方向发生的应变与别处不同，晶体内部正负电荷发生相对位移，形成偶极矩，从而产生电压。发出电压的高低与所受压力的大小和温度差的大小成正比。
(2)发射远红外线
人体不时地对外释放热量，佩戴于人身上的电气石会产生远红外线。远红外线作用于人体，能够渗透到身体深层部位，温暖细胞，促进血液循环，使新陈代谢顺畅。
(3)释放负离子
负离子对环境的作用主要是净化空气、净化水质和除菌。通过负离子对空气中的粉尘、尘埃等沉积和对水中吸附水中的重金属离子，从而净化空气质量和水质的功能。而负离子对人体的保健作用为呼吸保健、促进血液循环、调节人体离子平衡、抑制菌类感染。负离子具有调节人体离子平衡作用，能使身心放松，活化细胞，提高自然治愈率等作用，并能抑制身体的氧化或老化。
电气石是通过电离空气、水体等介质中游离的中性分子，促使其分解为正、负离子来永久地释放负离子。其中正离子，如氢离子，相互聚合成气体逸散、挥发，而负离子与其他分子聚合成负离子团，可以为人所用。
电气石能使空气或水体中的中性分子电解的原因是电气石具有自发电极化效应。这种效应使晶体结构表面产生了一个微型电场，在电气石表面出现了相对应的正、负电荷富集。这种结构相当于一个电解池系统，会使周围介质中的中性分子发生电解。
聚氯乙烯(PVC)来源广泛，成本价格低廉，已经在塑料、橡胶行业有了广泛的应用。PVC用作膜材料能够极大地降低膜的成本，并且聚氯乙烯具有良好的耐酸碱性、耐化学稳定性、耐腐蚀性和优良的耐微生物性能，在诸多的膜材料中脱颖而出，有着较强的竞争力，是一种极具推广意义的膜材料。但由于聚氯乙烯膜的亲水性差，耐热性和机械性能差，易被污染，膜的通量低等影响，其应用范围受到一定的限制。因而，对聚氯乙烯膜的改性，增强其膜亲水性能，抗污能力和过滤能力等，已成为PVC膜的研究重点方向。
对PVC膜的改性包括化学改性和物理改性，化学改性分为：表面交联改性、接枝改性和亲核取代改性；物理改性分为：共混法、等离子体改性和辐照改性。其中溶液共混法操作简单，过程简便，本发明选用溶液共混法制备一种电气石改性的分离膜。
本发明提出的一种电气石改性的分离膜的制备方法，即将改性后的纳米电气石粉与PVC溶液共混，制备一种亲水性和机械性能较好，过滤水质量有所改善的PVC/ 电气石共混分离膜。
【发明内容】：就现有的PVC分离膜亲水性和力学性能差的缺点，本发明拟提供一种新型的改性PVC分离膜的方法，该方法在改善PVC分离膜亲水性和机械性能的同时，还能有效改善过滤后水的质量。本发明通过在PVC铸膜液中添加改性纳米级电气石，使电气石均匀的分散在铸膜液体系中，采用浸没相沉淀转化法 (NIPS)制备出一种电气石改性的分离膜。
所采用的技术方案如下：
1)制备改性电气石：选用KH550为表面改性剂
改性电气石分散体系的制备：称取改性电气石加入到含有N-甲基吡咯烷酮 (NMP)的容器中，在常温下，进行超声处理2小时，得到分散均匀的改性电气石悬浮液。
2)PVC/电气石共混分离膜的制备：称取质量比为2％～4％的致孔剂PEG6000和质量比为14％～18％的PVC粉末加入含有改性电气石的容器中，PVC与改性电气石的质量比为200∶1～40∶1，然后将体系置于50～70℃的水浴中并搅拌10～14小时得到铸膜液。将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上进行刮膜，在空气中停留15～30 秒，然后浸入到20℃～30℃恒温凝固浴水槽中，膜成型后从玻璃板上脱落后，放置在去离子水中24～48小时，用去离子水冲洗干净后得到亲水性和机械性能较好，过滤水质量有所改善的PVC/电气石共混分离膜。本发明产品制备不需要复杂的设备，工艺简单，易于工业化生产，该分离膜具有改善过滤水的质量，膜表面的亲水性也有所提高，在添加比例适当的条件下，分离膜的机械性能有所提高。
具体实施方案
实施例1：
1)改性纳米电气石
实验用水醇混合溶剂水解KH550，其中硅烷偶联剂KH550体积分数为 15.575％。
称取2g的纳米电气石加入到体积比为1∶1的15ml乙醇和水混合溶剂中，然后放在三口烧瓶中，在恒温水浴锅中，进行磁力搅拌，再加入上述已水解好的 KH550溶液，用准备好的0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合体系的pH至10左右，升高水浴锅温度至80℃。在该温度下搅拌60min，然后用蒸馏水及无水乙醇各洗涤3次，放入离心机中以8000r/min的转速进行离心分离，离心完成后 80℃条件下烘干，得到表面改性的电气石。
2)PVC/电气石共混分离膜的制备
PVC与改性电气石质量比为0.5％称取纳米改性电气石，添加到NMP溶剂中，并将所得混合物超声处理约2h以确保纳米粒子在溶剂中的良好分散。之后，将质量比为3％的致孔剂PEG6000和15％的PVC加入分散液中，然后将体系置于60℃的水浴中并搅拌12小时得到铸膜液，将铸膜液在60℃下静置脱泡2.5小时，后将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上进行刮膜，在空气中停留20秒，然后浸入到25℃恒温凝固浴水槽中，膜成型后从玻璃板脱落后，放置在去离子水中48 小时，用去离子水冲洗干净后得到电气石改性的分离膜。
实施例2：
1)实验用水醇混合溶剂水解KH550，其中硅烷偶联剂KH550体积分数为 16％。
称取4g的纳米电气石加入到体积比为1∶1的30ml乙醇和水混合溶剂中，然后放在三口烧瓶中，在恒温水浴锅中，进行磁力搅拌，再加入上述已水解好的 KH550溶液，用准备好的0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合体系的pH至10左右，升高水浴锅温度至80℃。在该温度下搅拌60min，然后用蒸馏水及无水乙醇各洗涤3次，放入离心机中以8000r/min的转速进行离心分离，离心完成后 80℃条件下烘干，得到表面改性的电气石。
2)PVC/电气石共混分离膜的制备
PVC与改性电气石质量比为0.5％称取纳米改性电气石，添加到NMP溶剂中，并将所得混合物超声处理约2小时以确保纳米粒子在溶剂中的良好分散。之后，将质量比为3g％的致孔剂PEG6000和质量比为15％的PVC加入分散液中，然后将体系置于60℃的水浴中并搅拌12小时得到铸膜液，将铸膜液在60℃下静置脱泡2.5小时，后将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上进行刮膜，在空气中停留25 秒，然后浸入到28℃恒温凝固浴水槽中，膜成型后从玻璃板脱落后，放置在去离子水中48小时，用去离子水冲洗干净后得到电气石改性的分离膜。
实施例3：
1)改性纳米电气石方案同实施例1
2)PVC/电气石共混分离膜的制备
PVC与改性电气石质量比为1％称取纳米改性电气石，添加到NMP溶剂中，并将所得混合物超声处理约2小时以确保纳米粒子在溶剂中的良好分散。之后，将质量比为3％的致孔剂PEG6000和15％的PVC加入分散液中，然后将体系置于60℃的水浴中并搅拌12小时得到铸膜液，将铸膜液在60℃下静置脱泡2.5小时，后将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上进行刮膜，在空气中停留20秒，然后浸入到25℃恒温凝固浴水槽中，膜成型后从玻璃板脱落后，放置在去离子水中48 小时，用去离子水冲洗干净后得到电气石改性的分离膜。
实施例4：
1)改性纳米电气石方案同实施例1
2)PVC/电气石共混分离膜的制备
PVC与改性电气石质量比为1.5％称取纳米改性电气石，添加到NMP溶剂中，并将所得混合物超声处理约2小时以确保纳米粒子在溶剂中的良好分散。之后，将质量比为3％的致孔剂PEG6000和15％的PVC加入分散液中，然后将体系置于60℃的水浴中并搅拌12小时得到铸膜液，将铸膜液在60℃下静置脱泡 2.5小时，后将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上进行刮膜，在空气中停留20秒，然后浸入到25℃恒温凝固浴水槽中，膜成型后从玻璃板脱落后，放置在去离子水中48小时，用去离子水冲洗干净后得到电气石改性的分离膜。
实施例5：
1)改性纳米电气石粉方案同实施例1
2)PVC/电气石共混分离膜的制备
PVC与改性电气石质量比为2％称取纳米改性电气石，添加到81.7g的NMP 溶剂中，并将所得混合物超声处理约2小时以确保纳米粒子在溶剂中的良好分散。之后，将质量比为3％的致孔剂和15％的PVC加入分散液中，然后将体系置于 60℃的水浴中并搅拌12h得到铸膜液，将铸膜液在60℃下静置脱泡2.5小时，后将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上进行刮膜，在空气中停留20秒，然后浸入到25℃恒温凝固浴水槽中，膜成型后从玻璃板脱落后，放置在去离子水中48小时，用去离子水冲洗干净后得到电气石改性的分离膜。
实验效果：
例4中改性PVC分离膜对水的pH的改善从5.86提高至7.18，进行静态水接触角试验，结果显示改分离膜的接触角为84.5°，相对于纯PVC分离膜的水接触角降低了6％，且例4中分离膜的拉伸强度为3.53MPa，相对于纯PVC分离膜的拉伸强度提高了38.8％。

Claims (4)

1.一种电气石改性聚氯乙烯分离膜制备方法，包括如下步骤：
1)纳米电气石改性
首先用水醇混合溶剂水解硅烷偶联剂KH550，其中KH550体积分数为14～16％；
选取一定量粒径为50～350nm的电气石，加入到体积比为1∶1的乙醇和水混合溶剂中，在恒温水浴锅中，进行磁力搅拌，再加入上述已水解好的KH550溶液，用准备好的0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合体系的pH值至10左右，升高温度至80～90℃。在该温度下搅拌60min，然后用蒸馏水及无水乙醇洗涤2～4次，放入离心机中以6000～10000r/min的转速进行离心分离，离心完成后在70～90℃条件下烘干，得到表面改性的电气石；
2)PVC/电气石共混分离膜的制备
称取改性纳米级电气石加入到含有N-甲基吡咯烷酮(NMP)的容器中，在常温下，进行超声处理2～3h，得到分散均匀的改性电气石悬浮液；称取质量比为2～4％的致孔剂PEG6000和PVC粉末加入含有改性电气石的容器中，PVC与改性电气石的质量比为200∶1～40∶1，然后将体系置于50～70℃的水浴中并搅拌10～14h得到铸膜液，将铸膜液在50～70℃下静置脱泡2～3h，后将上述铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，在空气中停留15～30s，然后浸入到20℃～30℃恒温凝固浴水槽中，待膜从玻璃板脱落后，放置在去离子水中浸泡24～48h，用去离子水冲洗干净后得到PVC/电气石共混分离膜。
2.根据权利要求1所述的一种提高膜的亲水性和机械性能的同时能改善过滤水的质量的电气石改性PVC分离膜制备方法，具特征在于在PVC铸膜液中加入改性电气石，改性电气石在NMP中质量百分比为0.0915％～0.459％。
3.根据权利要求1所述的一种提高膜的亲水性和机械性能的同时能改善过滤水的质量的电气石改性的分离膜制备方法，其特征在于：纳米电气石在加入铸膜液前用KH550进行改性。
4.根据权利要求1所述的一种提高膜的亲水性和机械性能的同时能改善过滤水的质量的电气石改性的分离膜制备方法，其特征在于：纳米电气石均匀分散在分离膜中，在提高PVC膜亲水性以及机械性能的同时可以有效改善过滤水质量。
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