CN112023725A - 一种聚乳酸微孔膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚乳酸微孔膜的制备方法,包括以下步骤:(1)聚乳酸溶解在有机溶剂中,在60℃~130℃下分散均匀,得到均匀的铸膜液;(2)将所述铸膜液脱泡后,均匀刮涂成平板初生膜;(3)将所述平板初生膜置于温度为60℃~100℃且湿度为85%~100%的水蒸汽中保持3秒~10秒,将水蒸气处理后的膜浸没水中置换出有机溶剂后风干。本发明提供了一种聚合物微孔膜的制备方法,本发明方法可以实现一步法制备具有多级微纳结构表面的聚乳酸微孔膜,同时所制备的聚乳酸微孔膜表面的微米级和纳米级结构非常丰富,且分布非常均匀,不产生大孔缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及生物基聚合物分离膜技术领域,具体涉及一种聚乳酸微孔膜的制备方法。
背景技术
水是人类生活和社会可持续发展的重要保障。伴随着人类社会文明的飞速发展,水污染成为了一个非常严峻的问题。目前最热门的水处理方法是膜分离技术,其核心是各种各样的分离膜材料。然而,无论是无机的金属网膜、陶瓷膜,亦或则有机的聚偏氟乙烯膜、聚砜膜等现今常用的分离膜材料,在帮我们治理水污染的同时也带来了同样严峻的固体污染。
生物可降解材料,是一类在一定条件下和一定时间内可以被环境中的菌类、藻类等微生物降解的高分子材料,因此人们期望通过利用生物可降解材料制备分离膜材料用于水污染治理,以解决现今普遍存在的膜回收难题。早期的研究寄希望于淀粉、纤维素、甲壳素等天然高分子制备分离膜。然而此类材料往往难以溶解,故而难以通过NIPS法来制备分离膜。近年来,随着对农副产品发酵产物聚乳酸研究的深入,人们发现聚乳酸是未来生物可降解膜材料非常好的选择。如今,已有大量的研究人员从事聚乳酸分离膜的制备和应用研究。
相应的,在聚合物分离膜的实际应用过程中,往往是需要进行表面性质的改性。研究表明,膜表面多级微纳结构的构筑,不仅有利于进一步提高分离膜的浸润特性,也可以为分离膜后续的表面功能化改性提供更多的化学和物理空间位点。如中国专利(201310479920.1)通过模板剥离法制备了具有多尺度梯度微结构表面的聚合物微孔膜,实现了对聚合物微孔膜的超亲水或超疏水改性,并成功用于对油水乳液的高效分离。苏州纳米所的靳建研究员等则通过氯化钠等盐溶液诱导聚偏氟乙烯结晶,一步法制备了具有球晶堆积结构表面的聚偏氟乙烯微孔膜,同样实现了对聚偏氟乙烯微孔膜的超疏水改性。然而,虽然聚乳酸也是一种半结晶性聚合物,但是其分子链段的刚性要优于聚偏氟乙烯,因此难以通过盐溶液诱导结晶的方法制备具有多级微纳结构表面的聚乳酸微孔膜。目前,只有中国专利(201310479920.1)中有提到可以采用模板剥离法制备具有多尺度梯度微结构表面的聚乳酸微孔膜。然而,此方法需要采用模板剥离技术,难以实现连续化和规模化制备;同时,因模板剥离,会产生大量数十微米以上的大孔缺陷和各种模板印痕,严重影响膜的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种聚乳酸微孔膜的制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)聚乳酸溶解在有机溶剂中,在60℃~130℃下分散均匀,得到均匀的铸膜液;
(2)将所述铸膜液脱泡后,均匀刮涂成平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为60℃~100℃且湿度为85%~100%的水蒸汽中保持3秒~10秒,将水蒸气处理后的膜浸没水中置换出有机溶剂后风干。
上述方法采用60℃~100℃且湿度为85%~100%的水蒸汽诱导,在相转化过程中,当聚乳酸处于初生液膜状态时,通过60℃~100℃且湿度为85%~100%的水蒸汽诱发界面微相分离,在聚乳酸初生液膜表面率先形成一层具有多级微纳结构的界面微结构层,随后进一步通过非溶剂相转化完成聚乳酸初生液膜其他深度部位的相转化和固化过程。发明人通过研究发现,水蒸汽的温度和湿度及处理时间对于聚乳酸微孔膜的性能有重要影响,当水蒸气处理时间小于3秒时,水蒸汽对聚乳酸初生液膜表面的诱导微相分离不充分,容易使聚乳酸\微孔膜形成不连续的多级微纳结构表面;当所述停留时间大于10秒时,水蒸汽对聚乳酸初生膜的诱导微相分离将进一步延伸向下方膜体,从而导致在聚乳酸微孔膜表面形成开裂纹、凹陷等不良。发明人通过研究发现,水蒸气的温度控制可以调控聚乳酸微孔膜孔径大小,针对产品的需求进行调整。上述方法可以实现一步法制备具有多级微纳结构表面的聚乳酸微孔膜,同时所制备的聚乳酸微孔膜表面的微米级和纳米级结构非常丰富,且分布非常均匀,不产生大孔缺陷。同时,上述方法铸膜液配置简单,生产过程只需增加和调控蒸汽诱导段,无需重新设计或大量更改原有生产设备和生产线布局,该制备方法工艺步骤简单、易于操作和实现,易于工业化生产。
优选地,所述步骤(3)中,将所述平板初生膜置于温度为70℃~90℃且湿度为85%~100%的水蒸汽中保持3秒~10秒。
发明人通过研究发现,当水蒸气的温度为70℃~90℃时,制备得到的聚乳酸微孔膜的微孔孔径在产品需求范围内,低于70℃或是高于90℃。会导致膜表面孔径过小或者过大。水蒸气的湿度为85%~100%,能保证制备的微孔膜形成均匀分布的微孔,且水蒸气湿度越高,制备的微孔膜微孔分布越均匀。
优选地,所述步骤(1)中,将聚乳酸、添加剂与有机溶剂混合,步骤(1)所得铸膜液中聚乳酸的质量比为15%~25%,添加剂的质量比为0~15%,溶剂的质量比为75%~85%。
添加剂的添加量为0%时,也可以制备得到具有多级微纳结构表面的聚乳酸微孔膜。
优选地,所述添加剂为无机纳米粒子、聚乙二醇、聚氧乙烯、二甘醇、乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和二缩三乙二醇中的至少一种。
上述方法使用添加剂,主要是基于实际工程应用所需,用于实现对所需聚乳酸微孔膜内部微孔结构的调控。因此,上述方法所列添加剂为聚合物微孔膜常用微孔结构调节助剂。
优选地,所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲亚砜中的至少一种。
优选地,所述步骤(2)中,所述平板初生膜的厚度为50~300微米。
聚乳酸膜层厚度主要影响微孔膜的水通道阻力和机械性能。当膜结构一定时,膜层越薄,水通道阻力越小,膜的水通量越大,但膜的机械性能变差;相反的,膜层越厚,膜的机械性能较好,但水通道阻力越大,膜的通量变小。当初生膜的厚度为50~300微米时,聚乳酸微孔膜的机械性能和过滤性能综合更好。
优选地,所述步骤(1)中分散均匀的方法为机械或磁力搅拌3~24小时。
优选地,所述步骤(1)中,在70℃~110℃下机械或磁力搅拌6~16小时分散均匀。
优选地,所述步骤(3)中,将水蒸气处理后的膜在温度为15℃~60℃的水中浸没8~48小时。
本发明的有益效果在于:本发明提供了一种聚合物微孔膜的制备方法,本发明方法可以实现一步法制备具有多级微纳结构表面的聚乳酸微孔膜,同时所制备的聚乳酸微孔膜表面的微米级和纳米级结构非常丰富,且分布非常均匀,不产生大孔缺陷。同时,本发明方法利用了传统的NIPS聚合物微孔膜制备方法的过程,铸膜液配置简单,生产过程只需增加和调控蒸汽诱导段,无需重新设计或大量更改原有生产设备和生产线布局,该制备方法工艺步骤简单、易于操作和实现,易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例的聚合物微孔膜的制备方法制备得到的聚乳酸微孔膜的表面扫描电镜(SEM)图。
图2为本发明实施例的聚合物微孔膜的制备方法制备得到的聚乳酸微孔膜的表面扫描电镜(SEM)图。
图3为本发明对比例的聚合物微孔膜的制备方法制备得到的聚乳酸微孔膜的表面扫描电镜(SEM)图。
图4为本发明对比例的聚合物微孔膜的制备方法制备得到的聚乳酸微孔膜的表面扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)聚乳酸溶解在有机溶剂中,在60℃~130℃下分散均匀,得到均匀的铸膜液;
(2)将所述铸膜液脱泡后,均匀刮涂成平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为60℃~100℃且湿度为85%~100%的水蒸汽中保持3秒~10秒,将水蒸气处理后的膜浸没水中置换出有机溶剂后风干。
实施例1
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将20克聚乳酸溶解于80克N,N-二甲基乙酰胺中,在8 0℃温度下,以250转/分钟速度搅拌8小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用150微米的刮刀将聚乳酸涂覆在克重为90克/平米的PET无纺布上,得到厚度为150微米的平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为80℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒,将水蒸气处理后的膜在温度为30℃的水中浸没24小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到所述聚乳酸微孔膜。
本实施例的方法制备得到的聚乳酸微孔膜具有多级微纳结构,对所得到的聚乳酸微孔膜进行形貌表征。结果见图1和图2。如图1和图2可见,本实施例的聚乳酸微孔膜的表面具有丰富的多级微纳结构,包括各种微米级的微孔和纳米级的纤维丝和结点。同时可见,本实施例的聚乳酸微孔膜表面的多级微纳结构是连续、均匀分布存在的,形成一完整的、均一的微孔膜表面。本实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法工艺步骤简单、易于操作和实现,易于工业化生产。
实施例2
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将15克聚乳酸、3克聚氧乙烯溶解于82克二甲亚砜中,在110℃温度下,以200转/分钟速度搅拌6小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用50微米的刮刀将聚乳酸涂覆在光滑的玻璃板上,得到平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为100℃且湿度为100%的水蒸汽中保持8秒,将水蒸气处理后的膜在温度为15℃的水中浸没48小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到所述聚乳酸微孔膜。
本实施例的聚乳酸微孔膜表面的多级微纳结构是连续、均匀分布存在的,形成一完整的、均一的微孔膜表面。本实施例相比于实施例1,聚乳酸微孔膜膜孔变大,膜表面孔率不变。
实施例3
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将15克L型聚乳酸、3克D型聚乳酸、1克纳米二氧化硅、2克聚乙二醇和2克二甘醇溶解于77克N,N-二甲基甲酰胺中,在70℃温度下,以400转/分钟速度搅拌16小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用300微米的刮刀将聚乳酸涂覆在300目的PP筛网上,得到厚度300微米的平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为60℃且湿度为90%的水蒸汽中保持10秒,将水蒸气处理后的膜在温度为60℃的水中浸没8小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到所述聚乳酸微孔膜。
本实施例的聚乳酸微孔膜表面的多级微纳结构是连续、均匀分布存在的,形成一完整的、均一的微孔膜表面。本实施例相比于实施例2,聚乳酸微孔膜膜孔变大,膜表面孔率降低5%。
实施例4
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将18克聚乳酸、2克乙二醇、5克三缩二乙二醇和5克聚乙烯吡咯烷酮溶解于70克N-甲基吡咯烷酮中,在90℃温度下,以300转/分钟速度搅拌12小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用200微米的刮刀将聚乳酸涂覆在克重为750克/平米的PP无纺布上,得到厚度200微米平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为90℃且湿度为95%的水蒸汽中保持3秒,将水蒸气处理后的膜在温度为25℃的水中浸没30小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到所述聚乳酸微孔膜。
本实施例的聚乳酸微孔膜表面的多级微纳结构是连续、均匀分布存在的,形成一完整的、均一的微孔膜表面。本实施例相比与实施例3,聚乳酸微孔膜膜孔变小,膜表面孔率增加2.5%。
实施例5
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将25克聚乳酸溶解于45克N,N-二甲基甲酰胺和30克N,N-二甲基乙酰胺的混合溶液中,在95℃温度下,以350转/分钟速度搅拌11小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用100微米的刮刀将聚乳酸涂覆在克重为100克/平米的PET无纺布上,得到100微米的平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为70℃且湿度为100%的水蒸汽中保持7秒,将水蒸气处理后的膜在温度为40℃的水中浸没20小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到所述聚乳酸微孔膜。
本实施例的聚乳酸微孔膜表面的多级微纳结构是连续、均匀分布存在的,形成一完整的、均一的微孔膜表面。本实施例相比于实施例4相比,聚乳酸微孔膜膜孔变小,膜表面孔率增加2.5%。
实施例6
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将14克D型聚乳酸、3克L型聚乳酸、2克纳米碳粉、1克聚氧乙烯和5克聚乙二醇溶解于75克N,N-二甲基乙酰胺中,在80℃温度下,以250转/分钟速度搅拌13小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用200微米的刮刀将聚乳酸涂覆在400目的铜网,得到200微米厚的平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为100℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒,将水蒸气处理后的膜在温度为50℃的水中浸没24小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到所述聚乳酸微孔膜。
本实施例的聚乳酸微孔膜表面的多级微纳结构是连续、均匀分布存在的,形成一完整的、均一的微孔膜表面。本实施例相比于实施例1相比,聚乳酸微孔膜膜孔变大,膜表面孔率不变。
实施例7
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,本实施例与实施例1的唯一区别为:将所述平板初生膜置于温度为60℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒。
实施例8
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,本实施例与实施例1的唯一区别为:将所述平板初生膜置于温度为70℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒。
实施例9
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,本实施例与实施例1的唯一区别为:将所述平板初生膜置于温度为90℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒。
实施例10
作为本发明实施例的聚乳酸微孔膜的制备方法,本实施例与实施例1的唯一区别为:将所述平板初生膜置于温度为100℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒。
对比例1
作为本发明对比例的聚乳酸微孔膜的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将20克聚乳酸溶解于80克N,N-二甲基乙酰胺中,在80℃温度下,以250转/分钟速度搅拌8小时;得到均匀的铸膜液;
(2)将所聚乳酸铸膜液真空脱泡30分钟,再用150微米的刮刀将聚乳酸涂覆在克重为90克/平米的PET无纺布上,得到平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为30℃的水中浸没24小时,使平板初生膜充分固化成膜及充分交换去除有机溶剂;在空气中自然晾干,得到具所述的聚乳酸微孔膜。
将对比例1所得到的具有多尺度梯度微结构表面的聚乳酸微孔膜进行形貌表征。结果见图3和图4。
如图3和图4可见,有别于实施例1得到聚乳酸微孔膜表面完整的、均匀分布的多级微纳结构分布,对比例1得到的聚乳酸微孔膜,其表面的多尺度梯度微结构是不连续和不均匀的,其微孔结构大小不一,同时不仅有无纺布撕裂形成的印痕,还有尺寸较大的各种凹陷孔。
对比例2
作为本发明对比例的聚乳酸微孔膜的制备方法,本对比例与实施例1的唯一区别为:将所述平板初生膜置于温度为50℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒。
对比例3
作为本发明对比例的聚乳酸微孔膜的制备方法,本对比例与实施例1的唯一区别为:将所述平板初生膜置于温度为110℃且湿度为100%的水蒸汽中保持5秒。
效果例1
测定实施例1、实施例7-10和对比例2-3的聚乳酸微孔膜。结果在水蒸气湿度为100%条件下,且水蒸气停留时间>5s,能形成多尺度梯度微结构是连续和均匀的,其微孔结构大小均一的,膜表面不出现凹陷孔。当水蒸气温度大于90℃,膜孔变化程度增大且膜孔增大,膜截流性能下降,当水蒸气温度低于70℃,膜孔径变化程度增大且膜孔变小,膜通量下降,需要过滤跨膜压差增大,均不符合使用的需求。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)聚乳酸溶解在有机溶剂中,在60℃~130℃下分散均匀,得到均匀的铸膜液;
(2)将所述铸膜液脱泡后,均匀刮涂成平板初生膜;
(3)将所述平板初生膜置于温度为60℃~100℃且湿度为85%~100%的水蒸汽中保持3秒~10秒,将水蒸气处理后的膜浸没水中置换出有机溶剂后风干。
2.根据权利要求1所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,将所述平板初生膜置于温度为70℃~90℃且湿度为85%~100%的水蒸汽中保持3秒~10秒。
3.根据权利要求1所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,将聚乳酸、添加剂与有机溶剂混合,步骤(1)所得铸膜液中聚乳酸的质量比为15%~25%,添加剂的质量比为0~15%,溶剂的质量比为75%~85%。
4.根据权利要求3所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述添加剂为无机纳米粒子、聚乙二醇、聚氧乙烯、二甘醇、乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和二缩三乙二醇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲亚砜中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,所述平板初生膜的厚度为50~300微米。
7.根据权利要求1所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中分散均匀的方法为机械或磁力搅拌3~24小时。
8.根据权利要求7所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,在70℃~110℃下机械或磁力搅拌6~16小时分散均匀。
9.根据权利要求1所述的聚乳酸微孔膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,将水蒸气处理后的膜在温度为15℃~60℃的水中浸没8~48小时。
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