CN112588127A - 一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法 - Google Patents

一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法 Download PDF

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Abstract

一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，属于分离膜材料表面改性技术领域。包括如下步骤：1）配制有机中间层涂覆液，将清洁的聚合物多孔膜在涂覆液中浸泡，使涂覆液在聚合物多孔膜表面及其孔道内分布均匀；2）将涂覆后的聚合物多孔膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入不同的反应液A、反应液B，两种反应液通过膜孔相互扩散；3）扩散反应完成后，将聚合物多孔膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到表面矿化的改性聚合物多孔膜。上述一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，适用于聚合物多孔膜的表面亲水化改性，所得到的改性聚合物多孔膜具有优异的亲水性，透水通量可提高3‑10倍。本方法反应条件简单易控，易于放大，具有很大的推广价值。

Description

一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法
技术领域
本发明属于分离膜材料表面改性技术领域，具体为一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法。
背景技术
膜分离技术具有便于连续操作、易于放大、能耗低、能量利用率高等优点，被广泛应用于化工、食品、医药、生化等领域。聚合物因其性能优良、价廉、易加工性，成为制备多孔膜的材料。但是在膜处理过程中，膜表面易于受到料液中油类、蛋白质等有机物的污染，造成膜通量衰减与分离效率下降，需要定期清洗。常用的物理清洗方法可清除表面松散吸附的污染物，但膜通量恢复不是十分理想；化学清洗方法效果明显，但会对膜表面造成损伤。亲水性多孔膜的抗污染性较强，其表面形成的水化层可抑制污染物的吸附与沉积，但在长期运行环境下仍不可避免地存在表面污染与清洗问题。对多孔膜表面进行改性，是提高膜通量的有效途径。
且现有的聚合物膜材料绝大多数都是疏水性的，膜的亲疏水平衡性、生物相容性、抗污染性不容易控制。因此，对现有膜材料的亲水改性、提高膜材料的抗污染能力和生物相容性已经成为膜科学领域研究地一个热点。在现有方法中，主要采用表面涂覆法进行改性处理，表面涂敷法是通过物理吸附作用使表明活性剂吸附在膜表面，使用时表面活性剂极易流失，造成亲水性不能长久保持稳定，膜吸附污染提高、水通量降低。因此需要开发一种改性聚合物多孔膜的制备工艺，以提高聚合物多孔膜的亲水性、透水通量及运行稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种扩散反应方法改性聚合物多孔膜的技术方案，其适用于聚合物多孔膜的表面亲水化改性，所得到的改性聚合物多孔膜具有优异的亲水性，透水通量可提高3-10倍。本方法反应条件简单易控，易于放大，具有很大的推广价值。
所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）配制质量百分浓度为0.01-8%的有机中间层涂覆液，将清洁的聚合物多孔膜在涂覆液中浸泡，浸泡温度为5-90℃，浸泡时间为10-40小时，采用超声或搅拌的方式使涂覆液在聚合物多孔膜表面及其孔道内分布均匀；
2）将涂覆后的聚合物多孔膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入不同的反应液A、反应液B，浓度为0.01-0.8摩尔/升，两种反应液通过膜孔相互扩散，在10-85℃下进行扩散反应5-40小时。
3）扩散反应完成后，将聚合物多孔膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到表面矿化的改性聚合物多孔膜。
所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤1）中：所述的有机中间层涂覆液为单宁酸、多巴胺、十二烷基磺酸钠、聚苯乙烯磺酸盐、二十烷基胺、二十烷基酸、羧甲基纤维素钠、没食子酸、硅醇中的一种或一种以上混合物的水溶液或乙醇溶液；有机中间层涂覆液的质量百分浓度为0.01-8%，优选0.1-7%，更优选1-6%，最优选2-4%；浸泡温度为5-90℃，优选15-80℃，更优选25-70℃，最优选35-50℃；浸泡时间为10-40小时，优选15-35小时，更优选20-30小时。
所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤1）中：所述聚合物多孔膜的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基异戊烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜中的任意一种。
所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤1）中：所述聚合物多孔膜的形态为平板膜或中空纤维膜，平均孔径为10纳米-10微米，优选50纳米-5微米。
所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤2）中：反应液A为硝酸铝、氯化铝、氯化镁、氯化锌、四氯化钛、四氯化硅中的一种或一种以上混合物的水溶液或乙醇溶液，反应液B为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸、盐酸、过氧化氢中的一种或一种以上混合物的水溶液。
所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤2）中：反应液A、反应液B的浓度为0.01-0.8摩尔/升，优选0.1-0.6摩尔/升，更优选0.3-0.5摩尔/升；扩散温度为10-85℃，优选20-70℃，更优选30-50℃；反应时间为5-40小时，优选10-30小时，更优选20-25小时。
本发明中，有机中间层涂覆液的浓度，浸泡温度，浸泡时间，反应液A、反应液B的浓度，扩散温度和时间对最终的改性效果有显著影响。本发明首先通过浸没沉积的方式将有机中间层涂覆在疏水聚合物微孔膜表面，该有机中间层起到粘结多孔聚合物膜和无机纳米粒子的作用，并为亲水的无机纳米粒子在膜表面的沉积提供锚点；而后通过自发的扩散反应，形成粒径可控的无机纳米粒子，均匀而稳定地覆盖在有机中间层上。界面扩散反应并沉积的方法基本不影响聚合物膜的孔径尺寸，使得聚合物多孔膜在尽量低的损失孔隙率的前提下得到亲水性涂层。
上述一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，适用于聚合物多孔膜的表面亲水化改性，所得到的改性聚合物多孔膜具有优异的亲水性，透水通量可提高3-10倍。本方法反应条件简单易控，易于放大，具有很大的推广价值。
附图说明
图1为本发明扩散反应改性聚合物平板多孔膜示意图；
图2为本发明扩散反应改性聚合物中空纤维多孔膜示意图；
图3为本发明实例聚四氟乙烯平板膜改性前后的水通量对比图；
图4为本发明实例聚四氟乙烯平板膜改性前后的动态水接触角对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1：
1）配制质量百分浓度为0.05%的十二烷基磺酸钠的水溶液，将清洁的聚丙烯平板膜在其中浸泡，浸泡温度为50℃，浸泡时间为10小时，采用超声使十二烷基磺酸钠的水溶液在聚丙烯平板膜表面及其孔道内分布均匀；
2）将涂覆后的聚丙烯膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入硝酸铝和碳酸钠的水溶液，浓度为0.6摩尔/升，两种反应液通过膜孔相互扩散，在30℃下进行扩散反应5小时。
3）扩散反应完成后，将聚丙烯膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到改性聚丙烯膜。
实施例2：
1）配制质量百分浓度为5%的单宁酸的乙醇溶液，将清洁的聚偏氟乙烯中空纤维在其中浸泡，浸泡温度为10℃，浸泡时间为40小时，采用超声使单宁酸的乙醇溶液在聚偏氟乙烯中空纤维膜表面及其孔道内分布均匀；
2）将涂覆后的聚偏氟乙烯膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入氯化镁和碳酸氢钠的水溶液，浓度为0.3摩尔/升，两种反应液通过膜孔相互扩散，在10℃下进行扩散反应40小时。
3）扩散反应完成后，将聚偏氟乙烯膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到改性聚偏氟乙烯膜。
实施例3：
1）配制质量百分浓度为0.1%的硅醇的乙醇溶液，将清洁的聚四氟乙烯平板膜在其中浸泡，浸泡温度为20℃，浸泡时间为24小时，采用超声使硅醇的乙醇溶液在聚四氟乙烯平板膜表面及其孔道内分布均匀；
2）将涂覆后的聚四氟乙烯平板膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入四氯化硅和氢氧化钠的水溶液，浓度为0.01摩尔/升，两种反应液通过膜孔相互扩散，在80℃下进行扩散反应10小时。
3）扩散反应完成后，将聚四氟乙烯膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到改性聚四氟乙烯膜。
实施例4：
1）配制质量百分浓度为5%的多巴胺的水溶液，将清洁的丙烯腈平板膜在其中浸泡，浸泡温度为25℃，浸泡时间为28小时，采用磁力搅拌使多巴胺的水溶液在聚丙烯腈平板膜表面及其孔道内分布均匀；
2）将涂覆后的聚丙烯腈平板膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入四氯化钛和氢氧化钠的水溶液，浓度为0.05摩尔/升，两种反应液通过膜孔相互扩散，在20℃下进行扩散反应30小时。
3）扩散反应完成后，将聚四氟乙烯中空纤维膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到表面矿化的改性聚四氟乙烯中空纤维膜。
本发明首先在疏水聚合物微孔膜表面涂覆有机中间层，为无机纳米粒子在膜表面的沉积提供锚点；而后通过自发的扩散反应，形成粒径可控的无机纳米粒子，均匀而稳定地覆盖在有机中间层上。界面扩散反应并沉积的方法基本不影响聚合物膜的孔径尺寸。本方法改性得到的聚合物膜具有优异的亲水性，透水通量可提高3-10倍。
以下通过对上述实施例进行性能测试，测试结果表明：
实施例1-4制得的改性聚合物多孔膜具有优异的亲水性，透水通量可提高3-10倍。以PTFE平板膜的测试数据为例，改性前后的通量数据和接触角数据分别见图3和图4。图3中，改性前聚四氟乙烯平板膜的通量为15290L/(m2·h·bar)，改性后聚四氟乙烯平板膜的通量为110660L/(m2·h·bar)，改性后膜的通量为改性前的7.2倍。图4中，改性前聚四氟乙烯平板膜的水接触角稳定在151°，且不随时间变化，而改性后的聚四氟乙烯膜的水接触角在7s内可达到0°，表明改性效果显著。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）配制质量百分浓度为0.01-8%的有机中间层涂覆液，将清洁的聚合物多孔膜在涂覆液中浸泡，浸泡温度为5-90℃，浸泡时间为10-40小时，采用超声或搅拌的方式使涂覆液在聚合物多孔膜表面及其孔道内分布均匀；
2）将涂覆后的聚合物多孔膜取出，固定在扩散池中，并在膜两侧分别加入不同的反应液A、反应液B，浓度为0.01-0.8摩尔/升，两种反应液通过膜孔相互扩散，在10-85℃下进行反应5-40小时；
3）扩散反应完成后，将聚合物多孔膜从扩散池中取出，在乙醇和纯水中反复清洗，得到表面矿化的改性聚合物多孔膜。
2.如权利要求1所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤1）中：所述的有机中间层涂覆液为单宁酸、多巴胺、十二烷基磺酸钠、聚苯乙烯磺酸盐、二十烷基胺、二十烷基酸、羧甲基纤维素钠、没食子酸、硅醇中的一种或一种以上混合物的水溶液或乙醇溶液；有机中间层涂覆液的质量百分浓度为0.01-8%，优选0.1-7%，更优选1-6%，最优选2-4%；浸泡温度为5-90℃，优选15-80℃，更优选25-70℃，最优选35-50℃；浸泡时间为10-40小时，优选15-35小时，更优选20-30小时。
3.如权利要求1所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤1）中：所述聚合物多孔膜的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基异戊烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜中的任意一种。
4.如权利要求1所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤1）中：所述聚合物多孔膜的形态为平板膜或中空纤维膜，平均孔径为10纳米-10微米，优选50纳米-5微米。
5.如权利要求1所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤2）中：反应液A为硝酸铝、氯化铝、氯化镁、氯化锌、四氯化钛、四氯化硅中的一种或一种以上混合物的水溶液或乙醇溶液，反应液B为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸、盐酸、过氧化氢中的一种或一种以上混合物的水溶液。
6.如权利要求1所述的一种扩散反应改性聚合物多孔膜的方法，其特征在于步骤2）中：反应液A、反应液B的浓度为0.01-0.8摩尔/升，优选0.1-0.6摩尔/升，更优选0.3-0.5摩尔/升；扩散温度为10-85℃，优选20-70℃，更优选30-50℃；反应时间为5-40小时，优选10-30小时，更优选20-25小时。
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