CN111992060B - 基于巯基烯烃点击反应改性pvdf超疏水复合膜的制备方法 - Google Patents
基于巯基烯烃点击反应改性pvdf超疏水复合膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于巯基烯烃点击反应改性PVDF超疏水复合膜的制备方法,该方法包括:首先,在PVDF中空纤维膜表面进行碱溶液处理,使膜表面引入‑OH;其次,采用溶胶凝胶法制备SiO2,将含有羟基的PVDF中空纤维膜浸入到含有SiO2的溶胶中,使其膜表面粗糙度增加;最后,将八乙烯基POSS和含巯基的PDMS超声混合,紫外光进行一定时间照射,发生巯基烯烃点击化学反应。将PVDF‑OH中空纤维膜浸入到混合溶液中,出现超疏水涂层。本发明是在基质与构筑基元及构筑基元间均利用化学键作为驱动力以提高涂层的耐久性和稳定性,制备了一种抗润湿的超疏水膜,适用于膜蒸馏、气液接触器、膜加湿器等膜过程。
Description
技术领域
本发明属于膜分离领域,涉及了PVDF超疏水复合膜的制备技术,尤其是基于巯基烯烃点击化学反应改性PVDF超疏水复合膜的制备方法。
背景技术
PVDF膜本身具有疏水性,在膜分离过程中,膜的易润湿性和疏水稳定性影响膜分离效果。易被润湿性导致其在膜分离过程中无法进行较长时间的运行;疏水性不够强的分离膜在运行过程中料液将慢慢浸润膜孔,导致水蒸气无法透过,造成通量衰减,降低膜分离性能;当透气性能较差时,同样影响水蒸气通过,影响传质过程,造成通量减少。所以对PVDF中空纤维膜进行超疏水改性以及保持较高透气系数和通量成为制备复合膜的关键。
在巯基-烯光化学反应中,巯基基团和碳碳双键加成生成硫醚结构。通过巯基点击反应在已有聚合物侧链或材料表面接上特殊官能团或者其它组分,从而使材料的表面性能得到改善。点击反应近年来得到了深入的研究和广泛的应用,其应用领域扩展到胶粘剂、涂料、光学元件、生物医学材料方向等。
超疏水表面是指膜表面对水的接触角在150°以上,滚动角小于10°,具有自清洁、防水、防冰、抗氧化、减阻等多种独特的表面性能。超疏水表面的制备主要有两个方向:一是在低表面能物质上构筑微纳米粗糙结构;二是在粗糙表面修饰低表面能物质。目前已有大量的方法和技术用于制备超疏水表面,较常用的有氟硅烷涂覆法(CN107556477A)、刻蚀法(CN107321583B)、等离子体法(CN108978173A)、溶胶-凝胶法(CN108993175A)和层层自组装法(CN107503228A)等。
尽管目前已有较多制备超疏水的方法,但是含氟低表面能物质的使用有一定的潜在毒性,且不同技术对PVDF中空纤维膜的透气性能和膜分离性能有一定影响,因此结合巯基烯烃点击化学反应的优点及控制涂覆在PVDF中空纤维膜的时间,制备具有稳定性的超疏水表面以及较高的透气性能和通量的PVDF中空纤维复合膜。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处,在基质与构筑基元及构筑基元间均利用化学键作为驱动力以提高涂层的耐久性和稳定性,制备了一种抗润湿的超疏水膜。
本发明提供了一种基于巯基烯烃点击化学反应改性PVDF超疏水复合膜的制备方法。该方法主要包括:首先,在PVDF中空纤维膜表面进行碱溶液处理,使膜表面引入-OH;其次,
采用溶胶凝胶法制备SiO2,将含有羟基的PVDF中空纤维膜浸入到含有SiO2的溶液中,使其膜表面粗糙度增加;最后,将八乙烯基POSS和含巯基的PDMS超声混合,紫外光进行一定时间照射,发生巯基烯烃点击化学反应。将PVDF-OH中空纤维膜浸入到混合溶液中,出现超疏水涂层。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
一种基于巯基烯烃点击化学反应改性PVDF超疏水复合膜的制备方法,包括以下步骤:
配制NaOH、四丁基溴化铵混合溶液,将洗净的中空纤维膜放入到混合溶液中,搅拌一定时间,得到一次处理膜;
配制NaHSO4溶液,将一次处理膜浸入NaHSO4溶液,搅拌一定时间,使膜表面形成多元醇,得到二次处理膜;
将二次处理膜水洗至中性,烘干得到三次处理膜;
将乙醇,氨水,水加入到容器中,加热到一定温度,加入正硅酸乙酯,搅拌一定时间,加入三次处理膜,浸泡一定时间,烘干,得到四次处理膜;
配制八乙烯基POSS、含有巯基PDMS、二氯甲烷、光引发剂混合溶液,超声震荡一定时间,磁力搅拌一定时间,将混合溶液放置在紫外灯下照射,将四次处理膜放入到混合溶液中,静置涂覆一定时间,取出晾干,待有机溶剂挥发完,烘干,得到成品膜。
而且,所述的NaOH的浓度为0.01~0.05mol/L。
而且,所述的NaHSO4溶液质量分数为1wt%~4wt%。
而且,所述氨水含量为4wt%~10wt%。
而且,所述正硅酸乙酯含量为4wt%~10wt%。
而且,所述加热温度为40~60℃。
而且,所述八乙烯基POSS质量浓度为0.01wt%~0.06wt%,优选0.04wt%。
而且,所述PDMS-SH质量浓度为0.05wt%~0.6wt%,优选0.1wt%。
而且,所述光引发剂为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮,质量浓度为0wt%~0.06wt%,优选0.015wt%。
而且,所述照射时间为5min~90min。
而且,所述涂覆时间为5s~60s,优选10s。
本发明的优点和积极效果是:
1、本发明通过二氧化硅粒子提高粗糙度,利用笼型聚倍半硅氧烷(POSS)纳米尺寸有机无机杂化粒子与巯基聚二甲基硅氧烷发生巯基-烯烃点击化学反应,最终制备出PVDF中空纤维膜超疏水表面。该过程在基质与构筑基元及构筑基元间均利用化学键作为驱动力以提高涂层的耐久性和稳定性。
2、本发明无含氟物质,具有较高疏水性和透气系数。
3、本发明在涂覆PVDF中空纤维膜时,控制涂覆时间,保证膜孔不被堵塞条件下,增加疏水性。
附图说明
图1为实施例1中水滴在PVDF中空纤维膜超疏水表面的接触角图;
图2为实施例2中水滴在PVDF中空纤维膜超疏水表面的接触角图;
图3为实施例3中水滴与改性PVDF中空纤维复合膜接触示意图,其中,(a)为水滴刚接触PVDF超疏水复合膜状态,(b)为水滴正充分接触PVDF超疏水复合膜状态,(c)为水滴已接触PVDF超疏水复合膜后弹起状态;
图4为POSS含量对接触角和透气系数的影响;
图5为PDMS含量对接触角和透气系数的影响;
图6为光引发剂含量对接触角和透气系数的影响;
图7为涂覆时间对接触角和透气系数的影响;
图8-1为不同超声时长对复合膜稳定性能的影响;
图8-2为原膜及复合膜的膜蒸馏通量;
图8-3为原膜及复合膜的产水电导率;
图9为本发明反应流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
(1)PVDF中空纤维膜预处理:将预先挑好的中空纤维膜浸入在去离子水中1h,然后放入无水乙醇中冲洗1h,洗去杂质,最后再用去离子水反复清洗。
(2)碱醇溶液处理:在100mL容量瓶中配制0.02mol/LNaOH溶液,加入0.2g四丁基溴化铵,将步骤(1)中空纤维膜放入到混合溶液中,磁力搅拌2h,同时在100ml容量瓶中配制2wt%NaHSO4溶液,将碱处理后的膜浸入NaHSO4溶液,磁力搅拌1h,使膜表面形成多元醇。对碱处理后的中空纤维膜用去离子水冲洗至中性,放在去离子水中保存。
(3)二氧化硅处理:将300ml无水乙醇,5wt%氨水,20ml去离子水加入到烧杯中,边搅拌边加热至45℃,随后缓慢加入5wt%正硅酸乙酯,45℃磁力搅拌2h。将步骤(2)的中空纤维膜放入到含有二氧化硅的溶胶凝胶中,浸泡涂覆四次,每次涂覆5min。将反应后的中空纤维膜拿出晾干,再70℃烘干3h,待用。(4)巯基-烯烃点击化学反应:配制0.05wt%八乙烯基POSS、0.1wt%PDMS-SH、100mL二氯甲烷、0.02wt%的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮混合溶液,超声震荡15min,磁力搅拌30min,放置功率300W的紫外灯下照射30min,将步骤(3)的中空纤维膜放入到混合溶液中涂覆,涂覆5s。取出晾干,待有机溶剂挥发,烘干。制备得到超疏水表面,接触角为151.3°(如图1)。
实施例2
(1)PVDF中空纤维膜预处理:将预先挑好的中空纤维膜浸入在去离子水中1h,然后放入无水乙醇中冲洗1h,洗去杂质,最后再用去离子水反复清洗。
(2)碱醇溶液处理:在100mL容量瓶中配制0.01mol/LNaOH溶液,加入0.2g四丁基溴化铵,将步骤(1)中空纤维膜放入到混合溶液中,磁力搅拌2h,同时在100ml容量瓶中配制2wt%NaHSO4溶液,将碱处理后的膜浸入NaHSO4溶液,磁力搅拌1h,使膜表面形成多元醇。对碱处理后的中空纤维膜用去离子水冲洗至中性,放在去离子水中保存。
(3)二氧化硅处理:将300ml无水乙醇,5wt%氨水,20ml去离子水加入到烧杯中,边搅拌边加热至55℃,随后缓慢加入5wt%正硅酸乙酯,55℃磁力搅拌2h。将步骤(2)的中空纤维膜放入到含有二氧化硅的溶胶凝胶中,浸泡涂覆四次,每次涂覆5min。将反应后的中空纤维膜拿出晾干,再70℃烘干3h,待用。
(4)巯基-烯烃点击化学反应:配制0.04wt%八乙烯基POSS、0.1wt%PDMS-SH、100mL 二氯甲烷、0.015wt%的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮混合溶液,超声震荡15min,磁力搅拌 30min,放置功率300W的紫外灯下照射60min。将步骤(3)的中空纤维膜放入到混合溶液中涂覆,涂覆10s。取出晾干,待有机溶剂挥发,烘干。制备得到超疏水表面,接触角为156.5° (如图2)。
实施例3
(1)PVDF中空纤维膜预处理:将预先挑好的中空纤维膜浸入在去离子中1h,然后放入无水乙醇中冲洗1h,洗去杂质,最后再用去离子水反复清洗。
(2)碱醇溶液处理:在100mL容量瓶中配制0.02mol/LNaOH溶液,加入0.2g四丁基溴化铵,将步骤(1)中空纤维膜放入到混合溶液中,磁力搅拌2h,同时在100ml容量瓶中配制2wt%NaHSO4溶液,将碱处理后的膜浸入NaHSO4溶液,磁力搅拌1h,使膜表面形成多元醇。对碱处理后的中空纤维膜用去离子水冲洗至中性,放在去离子水中保存。
(3)二氧化硅处理:将300ml无水乙醇,8wt%氨水,20ml去离子水加入到烧杯中,边搅拌边加热至60℃,随后缓慢加入8wt%正硅酸乙酯,60℃磁力搅拌2h。将步骤(2)的中空纤维膜放入到含有二氧化硅的溶胶凝胶中,浸泡涂覆四次,每次涂覆5min。将反应后的中空纤维膜拿出晾干,再70℃烘干3h,待用。
(4)巯基-烯烃点击化学反应:配制0.06wt%八乙烯基POSS、0.1wt%PDMS-SH、100mL 二氯甲烷、0.02wt%的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮混合溶液,超声震荡15min,磁力搅拌30min,放置功率300W的紫外灯下照射60min,将步骤(3)的中空纤维膜放入到混合溶液中涂覆,涂覆15s。取出晾干,待有机溶剂挥发,烘干。制备得到超疏水表面,当水滴接触改性PVDF中空纤维复合膜时,水滴不易脱落,表明改性复合膜是超疏水表面(如图3)。
本发明考查了八乙烯基POSS含量对复合膜的影响,通过在PVDF原膜上负载SiO2后,实验控制PDMS含量、涂覆时间、光引发剂含量,通过改变POSS含量探究对复合膜接触角和透气系数的影响,测试结果如图4所示。
从图4中可以看出,当POSS含量为0.04wt%时,接触角和透气系数达到最优点,接触角达到154°,比原膜接触角有明显提高,这时POSS与PDMS通过点击反应形成聚合物后较为均匀的接枝在膜表面。在随着POSS含量由0.01wt%增加至0.04wt%时,接触角和透气系数随之增加,说明POSS的加入对复合膜性能有重要影响。当超过0.04wt%时,POSS浓度增加,由于POSS粒子浓度过大会引起自身团聚现象,导致粒子尺寸增大,从而影响复合膜性能。
在原膜负载同样粒径大小的SiO2,控制POSS含量为0.04wt%,控制涂覆时间,光引发剂含量,通过改变PDMS含量探究对复合膜接触角和透气系数的影响,测试结果如图5所示。
从图5中可以看出,当PDMS含量为0.1wt%时,接触角达到最大值154°。在随着巯基PDMS含量由0.05wt%增加至0.1wt%时,接触角随之增加,说明随着PDMS的增加,POSS 与PDMS-SH可以更充分反应。但当PDMS-SH一直增加时,复合膜接触角变化不大,透气系数下降明显,这是由于PDMS本身含有粘性,当含量增加时,涂覆液粘度升高,PDMS与膜表面粘结紧密,导致透气系数下降,影响复合膜性能。
在原膜负载同样粒径大小的SiO2,控制POSS含量为0.04wt%,控制PDMS含量为0.1wt%,控制涂覆时间,通过改变光引发剂含量探究对复合膜接触角和透气系数的影响,测试结果如图6所示。
从图6中可以看出,在随着光引发剂含量由0.005wt%增加至0.015wt%时,接触角和透气系数随之增加,当光引发剂含量不足时,不能产生足够的自由基,巯基烯烃点击反应不充分,在复合膜表面呈现一种不稳定状态。当光引发剂含量在0.015wt%时,接触角达到最大值。随着光引发剂含量的增多,接触角和透气系数呈现下降趋势。可能是由于自由基的浓度在增多,过多自由基的产生会使自由基之间发生反应而猝灭,在同一时间段内反应速率下降,导致膜表面有效附着的纳米粒子数量减小,故影响复合膜性能。
在原膜负载同样粒径大小的SiO2,控制POSS含量为0.04wt%,控制PDMS含量为0.1wt%,控制光引发剂含量为0.015wt%,通过改变涂覆时间探究对复合膜接触角和透气系数的影响,测试结果如图7所示。
从图7中可以看出,当涂覆时间为10s时,接触角达到最大值154°。随着涂覆时间的增加,接触角不再增加,但透气系数剧烈下降。这是由于随着涂覆时间增加,涂层厚度增加,从而导致透气系数下降。
图8-1为不同超声时长对复合膜稳定性能的影响,当超声6小时后对接触角变化较小,表明涂层与基膜结合的比较牢固,具有良好的稳定性。图8-2与图8-3给出了复合膜在360min 膜蒸馏运行过程中的通量及产水电导率的变化情况。由图可知,当原膜在运行40min时,膜蒸馏通量下降为0,而复合膜的膜蒸馏通量在360min中运行较稳定,原膜在运行一段时间后,电导率持续升高,复合膜的电导率较低,且维持在较稳定的状态。这是由于复合膜表面有一层稳定的超疏水涂层,有效防止液体润湿膜孔,保持较好膜蒸馏通量和较低的电导率。
虽然本发明已以较佳具体实施例公开如上,但上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和原则内,可做相应改动,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (1)
1.一种基于巯基烯烃点击反应改性PVDF超疏水复合膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
配制NaOH、四丁基溴化铵混合溶液,将洗净的中空纤维膜放入到混合溶液中,搅拌一定时间,得到一次处理膜;
配制NaHSO4溶液,将一次处理膜浸入NaHSO4溶液,搅拌一定时间,使膜表面形成多元醇,得到二次处理膜;
将二次处理膜水洗至中性,烘干得到三次处理膜;
将乙醇,氨水,水加入到容器中,加热到一定温度,加入正硅酸乙酯,搅拌一定时间,加入三次处理膜,浸泡一定时间,烘干,得到四次处理膜;
配制八乙烯基POSS、含有巯基PDMS、二氯甲烷、光引发剂混合溶液,超声震荡一定时间,磁力搅拌一定时间,将混合溶液放置在紫外灯下照射,将四次处理膜放入到混合溶液中,静置涂覆一定时间,取出晾干,待有机溶剂挥发完,烘干,得到成品膜;
所述的NaOH的浓度为0.01~0.05mol/L;
所述的NaHSO4溶液质量分数为1wt%~4wt%;
所述氨水含量为4wt%~10wt%;
所述正硅酸乙酯含量为4wt%~10wt%;
所述加热温度为40~60℃;
所述八乙烯基POSS质量浓度为0.01wt%~0.04wt%;
所述含有巯基PDMS质量浓度为0.05wt%~0.1wt%;
所述光引发剂为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮,质量浓度为0.005wt%~0.015wt%;
所述照射时间为5min~90min,所述涂覆时间为5s~10s。
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