CN110917900A - 一种用于水体过滤的复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水体过滤的复合膜及其制备方法，属于高分子膜的制备领域。本发明提供一种用于水体过滤的复合膜，所述复合膜包括至少一个三层膜结构，所述一个三层膜结构由外到内依次为玻璃纤维膜、聚合物纳米纤维膜、玻璃纤维膜，并且所述玻璃纤维膜和聚合物纳米纤维膜通过聚合物熔体筋连接，聚合物熔体筋指聚合物形成的网格，聚合物熔体筋分布在玻璃纤维膜的四周或整个膜上。本发明采用引入聚合物熔体筋的方式，通过聚合物熔体筋将聚合物纳米纤维膜与玻璃纤维膜连在一起形成了粘结性很好的复合纤维膜，该膜可直接用于水体环境的过滤中。

Description

一种用于水体过滤的复合膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于水体过滤的复合膜及其制备方法，属于高分子膜的制备领域。
背景技术
由于人口的进一步增长以及环境污染的进一步恶化，世界将面临日益严重的水资源缺乏问题，传统的水净化膜材料和技术已经不能满足需求。
近年来，随着人们对纳米材料的深入研究，纳米纤维材料也越来越受到研究者们的重视，成为目前纳米材料研究领域的热点之一，同时也为水净化膜技术的发展提供了契机。纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于100nm的超细纤维。近几十年来，静电纺丝由于制备过程简单、成本低、纺丝工艺可控，成为有效制备纳米纤维材料的主要方法之一。静电纺丝纳米纤维膜具有纤维直径小(0.01～1.0μm)、孔隙率高(≥80％)、比表面积大、吸附性能强等优势。然而纯聚合物材料制备的聚合物纳米纤维膜存在强度和韧性较差的缺点，无法直接适用于水体过滤。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种复合膜，本发明的复合膜将聚合物纳米纤维膜和玻璃纤维膜组合起来，使聚合物纳米纤维膜和玻璃纤维膜成为一体得到复合纤维膜，所得复合膜兼具无机-有机膜的优点，适用于水体的过滤，可用于过滤水体环境中的亚微米及以上(亚微米及以上指水中0.1-1微米的粒子)的悬浮颗粒。
本发明的技术方案：
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种用于水体过滤的复合膜，所述复合膜包括至少一个三层膜结构，所述一个三层膜结构由外到内依次为玻璃纤维膜、聚合物纳米纤维膜、玻璃纤维膜，并且所述玻璃纤维膜和聚合物纳米纤维膜通过聚合物熔体筋连接，聚合物熔体筋指聚合物形成的网格，聚合物熔体筋分布在玻璃纤维膜的四周或整个膜上。
进一步，所述聚合物熔体筋为聚合物横线和聚合物竖线构成的聚合物网格，相邻两个聚合物横线之间的间隔为10～100cm，相邻两个聚合物竖线之间的间隔为10～100cm。相邻聚合物横线、相邻聚合物竖线间的间隔可相同也可不同。
进一步，所述聚合物熔体筋通过3D打印、熔体喷射或熔体挤出的方法预置在玻璃纤维膜上。
进一步，所述聚合物纳米纤维膜和聚合物熔体筋中的聚合物选自：聚醚砜及其衍生物、聚苯硫醚砜及其衍生物、聚偏氟乙烯及其衍生物、聚乳酸及其衍生物或聚芳硫醚砜及其衍生物或聚酰亚胺及其衍生物。聚合物纳米纤维膜和聚合物熔体筋中的聚合物相同。
聚合物纳米纤维膜中纳米纤维的直径在50～800nm。
本发明要解决的第二个技术问题是提供上述用于水体过滤的复合膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)在玻璃纤维膜表面上预置聚合物熔体筋，然后在玻璃纤维膜有聚合物熔体筋的面上覆上聚合物纳米纤维膜，接着在聚合物纳米纤维膜(未覆盖纤维膜的面)上再覆上预置了聚合物熔体筋的玻璃纤维膜得到复合纤维膜；
2)将复合纤维膜于30～200℃的条件下，处理2～10h；再置于交变磁场中处理5～60min或者置于红外辐照处理20～800min；然后将复合纤维膜在压力为5～35MPa的条件下冷压5～30min，得到具有一个三层膜结构的用于水体过滤的复合膜；交变磁场处理或红外辐照处理后需确保聚合物熔体筋呈高弹态；冷压处理确保玻璃纤维膜和聚合物纤维膜之间的稳定牢固结合；
3)根据需要重复前述步骤得到具有至少两个三层膜结构的用于水体过滤的复合膜。
进一步，交变磁场的条件为：磁场强度50～300kHz、磁场电流2～80kA/m。
进一步，红外辐照处理中红外波长为0.75～1000μm。
本发明要解决的第三个技术问题是提供一种改善聚合物纳米纤维膜和玻璃纤维膜界面的方法，所述方法为：先在玻璃纤维表面预置聚合物熔体筋，通过聚合物熔体筋将聚合物纳米纤维膜与玻璃纤维膜粘接；其中，所述聚合物熔体筋指聚合物形成的网格，聚合物熔体筋分布在玻璃纤维膜的四周或整个膜上。
进一步，所述聚合物熔体筋为聚合物横线和聚合物竖线构成的聚合物网格，相邻两个聚合物横线之间的间隔为10～100cm，相邻两个聚合物竖线之间的间隔为10～100cm。相邻聚合物横线、相邻聚合物竖线间的间隔可相同也可不同。
进一步，所述聚合物熔体筋通过3D打印、熔体喷射或熔体挤出的方法预置在玻璃纤维膜上。
进一步，所述聚合物纳米纤维膜和聚合物熔体筋中的聚合物选自：聚醚砜及其衍生物、聚苯硫醚砜及其衍生物、聚偏氟乙烯及其衍生物、聚乳酸及其衍生物、聚芳硫醚砜及其衍生物或聚酰亚胺及其衍生物。
本发明的有益效果：
本发明采用引入聚合物熔体筋的方式，通过聚合物熔体筋将聚合物纳米纤维膜与玻璃纤维膜连在一起形成了粘结性很好的复合纤维膜，该膜可直接用于水体环境的过滤中。
附图说明：
图1为本发明具有五层结构的复合纤维膜的示意图。
图2为实施例1所得复合纤维膜、玻璃纤维膜、聚合物纳米纤维膜的水通量，其中玻璃纤维膜的通量最大，约1200Lm-2h-1，聚合物超细纤维膜的通量约为900Lm-2h-1，而复合纤维膜的通量是880Lm-2h-1，接近于超细纤维膜的通量，所以复合纤维膜的通量基本没有因复合的原因而发生变化。
图3为实施例1所得复合纤维膜、玻璃纤维膜和聚合物纳米纤维膜(聚合物超细纤维膜)对0.2μm颗粒的截留率，明显看出玻璃纤维膜的截留率只有50％不到，而聚合物超细纤维膜的截留率99.7％，而复合纤维膜的截留率也有99％以上，说明了复合纤维膜的截留率高，实现对亚微米级别颗粒的有效过滤。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
实施例1
在玻璃纤维膜表面上采用3D打印技术在玻璃纤维膜打印橫线间隔为30cm、竖线间隔为50cm的聚芳硫醚砜筋，然后在玻璃纤维膜含有聚醚砜筋的表面上采用静电纺丝法纺制聚芳硫醚砜超细纤维膜，接着在聚芳硫醚砜纤维膜上采用平铺法覆上预置有聚合聚芳硫醚砜筋条的玻璃纤维膜(预置聚芳硫醚砜筋的方式同上)，制得复合纤维膜；接着将复合纤维膜至于100℃的条件下加热处理4h，然后将复合纤维膜至于交变磁场中在60KHz，15kA/m的条件下处理20min；最后将复合纤维膜在压力为15MPa的条件下冷压20min，得到玻璃纤维膜和聚合物超细纤维膜的复合纤维膜。该复合纤维膜的通量1070Lm-2h-1，对0.2μm颗粒的截留率为99.2％。
实施例2
在玻璃纤维膜表面上将聚偏氟乙烯通过熔体挤出的方法在玻璃纤维膜表面上制备得到橫线间隔为40cm、竖线间隔为40cm的聚偏氟乙烯筋，然后在含有聚偏氟乙烯筋的玻璃纤维膜上静电纺丝纺制聚偏氟乙烯超细纤维膜，接着在该聚偏氟乙烯超细纤维膜上采用铺设的方法覆上预置有聚偏氟乙烯筋条的玻璃纤维膜，制备复合纤维膜；接着将复合纤维膜至于60℃的条件下，处理2h，然后将复合纤维膜置于255波长的红外线中辐照处理50min；最后将复合纤维膜在压力为10MPa的条件下冷压5min，得到玻璃纤维膜和聚合物超细纤维膜复合纤维膜。该复合纤维膜的通量1170Lm-2h-1对0.2μm颗粒的截留率为99.8％。

Claims (10)

1.一种用于水体过滤的复合膜，其特征在于，所述复合膜包括至少一个三层膜结构，所述一个三层膜结构由外到内依次为玻璃纤维膜、聚合物纳米纤维膜、玻璃纤维膜，并且所述玻璃纤维膜和聚合物纳米纤维膜通过聚合物熔体筋连接，聚合物熔体筋指聚合物形成的网格，聚合物熔体筋分布在玻璃纤维膜的四周或整个膜上。
2.根据权利要求1所述的一种用于水体过滤的复合膜，其特征在于，所述聚合物熔体筋为聚合物横线和聚合物竖线构成的聚合物网格，相邻两个聚合物横线之间的间隔为10～100cm，相邻两个聚合物竖线之间的间隔为10～100cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于水体过滤的复合膜，其特征在于，所述聚合物熔体筋通过3D打印、熔体喷射或熔体挤出的方法预置在玻璃纤维膜上。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于水体过滤的复合膜，其特征在于，所述聚合物纳米纤维膜和聚合物熔体筋中的聚合物选自：聚醚砜及其衍生物、聚苯硫醚砜及其衍生物、聚偏氟乙烯及其衍生物、聚乳酸及其衍生物或聚芳硫醚砜及其衍生物或聚酰亚胺及其衍生物。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于水体过滤的复合膜，其特征在于，聚合物纳米纤维膜中纳米纤维的直径在50～800nm。
6.权利要求1～5任一项所述的用于水体过滤的复合膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1)在玻璃纤维膜表面上预置聚合物熔体筋，然后在玻璃纤维膜有聚合物熔体筋的面上覆上聚合物纳米纤维膜，接着在聚合物纳米纤维膜上再覆上预置了聚合物熔体筋的玻璃纤维膜得到复合纤维膜；
2)将复合纤维膜于30～200℃的条件下，处理2～10h；再置于交变磁场中处理5～60min或者置于红外辐照处理20～800min；然后将复合纤维膜在压力为5～35MPa的条件下冷压5～30min，得到具有一个三层膜结构的用于水体过滤的复合膜；
3)根据需要重复前述步骤得到具有至少两个三层膜结构的用于水体过滤的复合膜。
7.根据权利要求6所述的用于水体过滤的复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，交变磁场的条件为：磁场强度50～300kHz、磁场电流2～80kA/m。
8.根据权利要求6所述的用于水体过滤的复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，红外辐照处理中红外波长为0.75～1000μm。
9.一种改善聚合物纳米纤维膜和玻璃纤维膜界面的方法，其特征在于，所述方法为：先在玻璃纤维表面预置聚合物熔体筋，通过聚合物熔体筋将聚合物纳米纤维膜与玻璃纤维膜粘接；其中，所述聚合物熔体筋指聚合物形成的网格，聚合物熔体筋分布在玻璃纤维膜的四周或整个膜上。
10.根据权利要求9所述的一种改善聚合物纳米纤维膜和玻璃纤维膜界面的方法，其特征在于，所述聚合物熔体筋为聚合物横线和聚合物竖线构成的聚合物网格，相邻两个聚合物横线之间的间隔为10～100cm，相邻两个聚合物竖线之间的间隔为10～100cm；
进一步，所述聚合物熔体筋通过3D打印、熔体喷射或熔体挤出的方法预置在玻璃纤维膜上；
进一步，所述聚合物纳米纤维膜和聚合物熔体筋中的聚合物选自：聚醚砜及其衍生物、聚苯硫醚砜及其衍生物、聚偏氟乙烯及其衍生物、聚乳酸及其衍生物或聚芳硫醚砜及其衍生物或聚酰亚胺及其衍生物。
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