CN113699693B - 一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于膜材料技术领域，公开了一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜及其制备方法和应用，该纳米纤维膜包括低表面能液态分子和纳米纤维基膜；纳米纤维基膜包括纳米纤维和负载在纳米纤维表面的纳米颗粒；低表面能液态分子分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。本发明结合了纳米纤维膜的高空隙率、高通透性与液态表面的仿生抗粘附特性，因此具有高水通量，水通量为75‑80Lm‑2h‑1，高截盐率，截盐率大于99.9％，高抗污染和高运行稳定性的优点。可采用直接接触式膜蒸馏技术，利用本发明超疏水、抗粘附的纳米纤维膜从海水、苦咸水、反渗透废水等高浓度含盐水质中汲取高质量淡水资源。

Description

一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于膜材料技术领域，特别涉及一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜及其制备方法和应用。
背景技术
水资源短缺、水资源分布不均、水环境恶化等都是当今社会所急需解决的一系列问题，这些问题对世界各国的可持续发展均构成了重大威胁，开发高效、低能耗技术以获得足够的淡水资源，势在必行。地球上97％以上的水资源以高盐度的海水、苦咸水的形式存储于大海或咸水湖泊之中，这些水资源只有通过适当的技术对其进行脱盐处理后才能被人类利用。现阶段，多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透技术被认为是最成熟可靠的脱盐技术，然而它们依然存在着一些缺陷，如动力消耗大、设备腐蚀快、传热效率低等。作为新一代膜分离技术，膜蒸馏结合了膜分离和低温蒸发的优点，分离效率高、操作条件温和，且可利用太阳能、工业余热或废热等作为热源，有望成为海水、苦咸水等淡化和淡水资源汲取的高效廉价的脱盐方式。
现阶段，膜蒸馏脱盐技术并未被大规模推广使用，原因是多方面的，以多孔膜的结垢和润湿问题尤为突出。由于浓差极化的存在，越接近膜表面则盐浓度越大，以至于在膜表面附近形成过饱和溶液并析出无机盐晶体，固体盐晶的形成使膜孔易于堵塞，并改变了膜表面的疏水特性，使其被润湿，从而提高了操作能耗、降低了分离效率。
目前的膜蒸馏用膜存在传质性能较低、分离效率低等问题。比如现有相关技术公开了一种不对称超润湿复合膜，通过多步连续静电纺丝和静电喷雾的方法，改善了蒸馏膜抗污染性能。超浸润膜表面的构筑过程往往较繁琐，给膜蒸馏用超浸润多孔膜的工业化生产带来了不利影响。现有相关技术公开了一种超疏水静电纺丝聚二甲基硅氧烷膜，然而由于纳米颗粒物被包埋基质性有机高分子材料内部，所制备的纳米纤维并无明显的多级结构，限制了其超疏水性(水接触角仅150°)。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜及其制备方法和应用。该超疏水、抗粘附的纳米纤维膜具有高水通量、高截盐率、高抗污染和高运行稳定性的优点，并且制备方法简单易行。
本发明的第一方面提供一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括低表面能液态分子和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜；所述具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜包括纳米纤维和负载在所述纳米纤维表面的纳米颗粒；所述低表面能液态分子分布在所述纳米纤维和所述纳米颗粒的表面；所述低表面能液态分子的表面能为0.020-0.025J/m2。所述具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成。
优选地，所述低表面能液态分子包括苯基硅油、甲基苯基硅油、甲基三氟丙基硅油中的至少一种。
优选地，所述低表面能液态分子的分子量为400-4000g/mol，优选为1000-2000g/mol。采用本发明限定分子量的液态分子，更有利于后续的界面诱导迁移。
优选地，所述纳米纤维的直径为300-1000nm，优选为400-800nm；所述纳米颗粒的粒径为20-100nm，优选为50-80nm。
优选地，所述纳米纤维膜的厚度为50-150μm、水接触角为155-165°、表面张力为21-25mN/m。
本发明的第二方面提供一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
将各原料进行混合、静电纺丝、热处理，得到所述纳米纤维膜。
优选地，所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
将成膜材料、主溶剂、共溶剂和所述低表面能液态分子在60-80℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，静置脱泡6-12h后，再对所述纺丝溶液进行静电纺丝，一步构建得到所述具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜；
将所述具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于烘箱或气氛炉中进行热处理，再进行热压处理，得到所述纳米纤维膜。通过热处理能够诱导低表面能液态分子的界面迁移，构建低表面能液态分子修饰的纳米纤维基膜；通过热压处理能够改善纳米纤维间的空间结构，提高纳米纤维基膜的整体性。
优选地，所述成膜材料、所述主溶剂、所述共溶剂和所述低表面能液态分子的质量比为8-16：100：10-100：1-10。
优选地，所述成膜材料包括聚偏氟乙烯、聚乙烯-四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚乙烯-三氟氯乙烯、聚苯乙烯中的至少一种；所述主溶剂包括N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种；所述共溶剂包括四甘醇、乙二醇碳酸酯、甘油单乙酸酯中的至少一种，共溶剂优选为四甘醇、乙二醇碳酸酯、甘油单乙酸酯中的两种组分的混合物，两种组分之间的质量比为1-4：(1-4)。
本发明选用具有疏水性能的成膜材料，使得最终产品具有疏水性，同时基于溶度参数理论，选择合适的主溶剂-共溶剂体系，使其能够更好地溶解成膜材料，形成均匀的纺丝液，而且在静电纺丝过程中(射流鞭动过程中)非均匀挥发、引发体系的非均匀分相，从而促成多级粗糙结构的形成。
优选地，所述静电纺丝的条件为：喷丝头内径为0.2-0.6mm，喷丝头到接收装置间距为10-30cm，纺丝电压10-50kV，注射速度为0.3-2.0mL/h，环境温度为20-30℃，环境湿度为20-70％；所述热处理的条件为：温度为60-160℃，时间为5-25h，处理氛围为空气或氮气；所述热压处理的条件为：温度为140-180℃，压力为0.005-0.05MPa，时间为1-60min。
本发明的第三方面提供所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜在水净化中的应用，具体在膜蒸馏中的应用。
本发明的第四方面提供一种膜蒸馏装置，包括本发明所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括低表面能液态分子和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，低表面能液态分子分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面，结合了纳米纤维膜的高空隙率、高通透性与液态表面的仿生抗粘附特性，因此具有高水通量(水通量为75-80Lm-2h-1)、高截盐率(截盐率大于99.9％)、高抗污染和高运行稳定性的优点。可采用直接接触式膜蒸馏技术，利用本发明超疏水、抗粘附的纳米纤维膜从海水、苦咸水、反渗透废水等高浓度含盐水质中汲取高质量淡水资源。
本发明制备方法通过射流受控分相(静电纺丝)以及界面诱导富集(热处理)相结合的方法，调控纳米纤维表面形态以及低表面能液态分子在纳米纤维表面的分布，通过对纳米纤维的表面粗糙化、低表面能化等，构筑由液态分子修饰的具有多级粗糙结构的纳米纤维，由该纳米纤维堆积而成的纳米纤维膜既具有类似荷叶的超疏水特性又具有类似猪笼草液态表面的抗粘附特性，使最终得到的纳米纤维膜具有高水通量、高截盐率、高抗污染和高运行稳定性的优点；本发明制备方法简化了制备过程，制备方法简单易行，使其更适用于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜的扫描电镜图；
图2为实施例1、对比例2制备的纳米纤维膜及传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜的表面红外光谱图；
图3为实施例1的超疏水、抗粘附纳米纤维膜的膜蒸馏性能图；
图4为静电纺丝设备的结构示意图；
图5为直接接触式膜蒸馏装置的结构示意图；
图6为对比例1制备的纳米纤维膜的扫描电镜图。
图中，1-注射泵，2-高压电源，3-金属导杆，4-金属滑块，5-喷丝头，6-接收装置圆筒，7-膜组件，8-热液，9-冷液，10-隔膜泵，11-流量计。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举如下实施例进行说明。需要指出的是，如下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
如下实施例中所用的组分、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
对以下实施例及对比例分别得到的纳米纤维膜进行如下技术指标的测试评估：
参照图4，图4为以下实施例及对比例中所使用的静电纺丝设备的结构示意图，该设备包括注射泵1，高压电源2，金属导杆3，金属滑块4，喷丝头5和接收装置圆筒6；其中接收装置圆筒6的直径为100mm，长度为200mm，由电机控制匀速旋转，喷丝头5垂直固定于金属滑块4上，金属滑块4沿一平行于接收圆筒的金属导杆3左右匀速滑动。如无特殊说明，以下实施例中，接收装置圆筒转速均为100rpm，滑块左右滑动速度均为2mm/s。
筛分性能测试：采用直接接触式膜蒸馏装置，如图5所示，该装置包括膜组件7，热液8，冷液9，隔膜泵10，流量计11；其中的膜组件7分别包括实施例及对比例得到的纳米纤维膜，以60℃的高浓度盐水为进料液(热液8)，20℃的去离子水为渗透液(冷液9，电导率约1.3μS/cm)，通过隔膜泵10使冷液9和热液8保持循环流动(流速0.6L/min)，在直接接触式膜蒸馏装置中连续运行，测定纳米纤维膜的水通量和截盐率的变化。水通量通过渗透槽质量变化表征，即单位时间、单位膜面积对应的纯水增加量；截盐率通过进料槽和渗透槽溶液电导率变化表征。
实施例1
一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括苯基硅油(分子量1000g/mol)和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成，纳米纤维的表面负载有纳米颗粒，苯基硅油分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。
上述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将6g聚偏氟乙烯、50g N，N-二甲基甲酰胺、15g共溶剂(四甘醇10g，乙二醇碳酸5g)和2g苯基硅油(分子量1000g/mol)在60℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，并于60℃下静置脱泡6h；对该纺丝溶液进行静电纺丝，得到如图1所示的具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜。其中，静电纺丝条件为：喷丝头内径为0.3mm，喷丝头到接收装置间距为15cm，纺丝电压20kV，注射速度为1.0mL/h，环境温度为25±1℃，环境湿度为30±3％。
2)将具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于100℃的鼓风干燥箱中热处理6h，诱导苯基硅油的界面迁移，得到苯基硅油修饰的纳米纤维基膜。
3)将苯基硅油修饰的纳米纤维基膜置于两块聚四氟乙烯板之间，在0.01MPa压力下，165℃热压处理10min，改善纳米纤维间的空间结构，即得所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
将本实施例得到的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试：将膜装入直接接触式膜蒸馏装置的膜组件中，以60℃的反渗透废水(5.5％NaCl，0.5％MgCl2，0.3％Na2SO4和0.3％MgSO4)为进料液，20℃的去离子水为渗透液，测得起始的水通量为78.2Lm-2h-1，出水电导率为1.3μS/cm，截盐率>99.9％，连续运行24h后，水通量和出水电导率均未见明显改变，如图3所示，在连续运行24h过程中，水通量在75-80Lm-2h-1之间，出水电导率在5μS/cm以下。将膜组件中的本实施例制得的纳米纤维膜替换为传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜进行测试，传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜采用常规方法制备即将聚偏氟乙烯纺丝液进行静电纺丝得到聚偏氟乙烯纳米纤维膜，运行24h后，传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜的水通量由起始的58.3Lm-2h-1下降到32.3Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到11.1μS/cm。本实施例制得的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜与传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜相比，筛分性能和运行稳定性均得到了明显提高。
实施例2
一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括甲基三氟丙基硅油(分子量2000g/mol)和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成，纳米纤维的表面负载有纳米颗粒，甲基三氟丙基硅油分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。
上述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将6g聚偏氟乙烯、50g N，N-二甲基甲酰胺、15g共溶剂(四甘醇10g，乙二醇碳酸5g)和2g甲基三氟丙基硅油(分子量2000g/mol)在60℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，并于60℃下静置脱泡6h；对该纺丝溶液进行静电纺丝，得到具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜。其中，静电纺丝条件为：喷丝头内径为0.3mm，喷丝头到接收装置间距为15cm，纺丝电压22kV，注射速度为0.8mL/h，环境温度为25±1℃，环境湿度为30±3％。
2)将具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于100℃的鼓风干燥箱中热处理6h，诱导甲基三氟丙基硅油的界面迁移，得到甲基三氟丙基硅油修饰的纳米纤维基膜。
3)将甲基三氟丙基硅油修饰的纳米纤维基膜置于两块聚四氟乙烯板之间，在0.01MPa压力下，165℃热压处理10min，改善纳米纤维间的空间结构，即得所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
将本实施例得到的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜装入直接接触式膜蒸馏装置的膜组件中，以60℃的模拟海水(2.7％NaCl，0.3％MgCl2，0.2％CaSO4，0.1％CaSO4和0.2％MgSO4)为进料液，20℃的去离子水为渗透液，测得起始的水通量为79.5Lm-2h-1，出水电导率为1.3μS/cm，截盐率>99.9％，连续运行24h后，水通量和出水电导率均未见明显改变，在连续运行24h过程中，水通量在76-81Lm-2h-1之间，出水电导率在4μS/cm以下。将膜组件中的本实施例制得的纳米纤维膜替换为传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜进行测试，运行24h后，传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜的水通量由起始的59.4Lm-2h-1下降到33.0Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到10.2μS/cm。本实施例制得的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜与传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜相比，筛分性能和运行稳定性均得到了明显提高。
实施例3
一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括苯基硅油(分子量1000g/mol)和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成，纳米纤维的表面负载有纳米颗粒，苯基硅油分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。
上述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将6.5g聚乙烯-四氟乙烯、50g N，N-二甲基乙酰胺、12g共溶剂(四甘醇6g，甘油单乙酸酯6g)和2g苯基硅油(分子量1000g/mol)在60℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，并于60℃下静置脱泡6h；对该纺丝溶液进行静电纺丝，得到具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜。其中，静电纺丝条件为：喷丝头内径为0.3mm，喷丝头到接收装置间距为18cm，纺丝电压20kV，注射速度为0.9mL/h，环境温度为25±1℃，环境湿度为30±3％。
2)将具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于90℃的鼓风干燥箱中热处理11h，诱导苯基硅油的界面迁移，得到苯基硅油修饰的纳米纤维基膜。
3)将苯基硅油修饰的纳米纤维基膜置于两块聚四氟乙烯板之间，在0.01MPa压力下，170℃热压处理10min，改善纳米纤维间的空间结构，即得所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
将本实施例得到的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试：将膜装入直接接触式膜蒸馏装置的膜组件中，以60℃的反渗透废水(5.5％NaCl，0.5％MgCl2，0.3％Na2SO4和0.3％MgSO4)为进料液，20℃的去离子水为渗透液，测得起始的水通量为77.8Lm-2h-1，出水电导率为1.3μS/cm，截盐率>99.9％，连续运行24h后，水通量和出水电导率均未见明显改变，在连续运行24h过程中，水通量在75-80Lm-2h-1之间，出水电导率在5μS/cm以下。将膜组件中本实施例制得的纳米纤维膜替换为传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜进行测试，传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜采用常规方法制备即将聚乙烯-四氟乙烯纺丝液进行静电纺丝得到聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜，运行24h后，传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜的水通量由起始的57.9Lm-2h-1下降到31.1Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到13.0μS/cm。本实施例制得的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜与传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜相比，筛分性能和运行稳定性均得到了明显提高。
实施例4
一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括甲基三氟丙基硅油(分子量2000g/mol)和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成，纳米纤维的表面负载有纳米颗粒，甲基三氟丙基硅油分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。
上述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将6.5g聚乙烯-四氟乙烯、50g N，N-二甲基乙酰胺、12g共溶剂(四甘醇6g，甘油单乙酸酯6g)和2g甲基三氟丙基硅油(分子量2000g/mol)在60℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，并于60℃下静置脱泡6h；对该纺丝溶液进行静电纺丝，得到具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜。其中，静电纺丝条件为：喷丝头内径为0.3mm，喷丝头到接收装置间距为20cm，纺丝电压23kV，注射速度为0.8mL/h，环境温度为25±1℃，环境湿度为30±3％。
2)将具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于90℃的鼓风干燥箱中热处理11h，诱导甲基三氟丙基硅油的界面迁移，得到甲基三氟丙基硅油修饰的纳米纤维基膜。
3)将甲基三氟丙基硅油修饰的纳米纤维基膜置于两块聚四氟乙烯板之间，在0.01MPa压力下，170℃热压处理10min，改善纳米纤维间的空间结构，即得所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
将本实施例得到的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试：将膜装入直接接触式膜蒸馏装置的膜组件中，以60℃的模拟海水(2.7％NaCl，0.3％MgCl2，0.2％CaSO4，0.1％CaSO4和0.2％MgSO4)为进料液，20℃的去离子水为渗透液，测得起始的水通量为79.0Lm-2h-1，出水电导率为1.3μS/cm，截盐率>99.9％，连续运行24h后，水通量和出水电导率均未见明显改变，在连续运行24h过程中，水通量在75-80Lm-2h-1之间，出水电导率在5μS/cm以下。将膜组件中本实施例制得的纳米纤维膜替换为传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜进行测试，运行24h后，传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜的水通量由起始的59.1Lm- 2h-1下降到32.6Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到11.5μS/cm。本实施例制得的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜与传统的聚乙烯-四氟乙烯纳米纤维膜相比，筛分性能和运行稳定性均得到了明显提高。
实施例5
一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括苯基硅油(分子量1000g/mol)和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成，纳米纤维的表面负载有纳米颗粒，苯基硅油分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。
上述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将6.8g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、50g N-甲基吡咯烷酮、14g共溶剂(乙二醇碳酸酯8g，甘油单乙酸酯6g)和2g苯基硅油(分子量1000g/mol)在60℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，并于60℃下静置脱泡6h；对该纺丝溶液进行静电纺丝，得到具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜。其中，静电纺丝条件为：喷丝头内径为0.3mm，喷丝头到接收装置间距为18cm，纺丝电压25kV，注射速度为1.0mL/h，环境温度为25±1℃，环境湿度为30±3％。
2)将具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于95℃的鼓风干燥箱中热处理10h，诱导苯基硅油的界面迁移，得到苯基硅油修饰的纳米纤维基膜。
3)将苯基硅油修饰的纳米纤维基膜置于两块聚四氟乙烯板之间，在0.02MPa压力下，160℃热压处理15min，改善纳米纤维间的空间结构，即得所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
将本实施例得到的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试：将膜装入直接接触式膜蒸馏装置的膜组件中，以60℃的反渗透废水(5.5％NaCl，0.5％MgCl2，0.3％Na2SO4和0.3％MgSO4)为进料液，20℃的去离子水为渗透液，测得起始的水通量为80.1Lm-2h-1，出水电导率为1.3μS/cm，截盐率>99.9％，连续运行24h后，水通量和出水电导率均未见明显改变，在连续运行24h过程中，水通量在78-82Lm-2h-1之间，出水电导率在5μS/cm以下。将膜组件中本实施例制得的纳米纤维膜替换为传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜进行测试，传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜采用常规方法制备即将聚偏氟乙烯-六氟丙烯纺丝液进行静电纺丝得到聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜，运行24h后，传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜的水通量由起始的59.0Lm-2h-1下降到33.0Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到12.1μS/cm。本实施例制得的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜与传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜相比，筛分性能和运行稳定性均得到了明显提高。
实施例6
一种超疏水、抗粘附的纳米纤维膜，包括甲基三氟丙基硅油(分子量2000g/mol)和具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜，具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜由若干纳米纤维堆积而成，纳米纤维的表面负载有纳米颗粒，甲基三氟丙基硅油分布在纳米纤维和纳米颗粒的表面。
上述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将6.8g聚偏氟乙烯-六氟丙烯、50g N-甲基吡咯烷酮、14g共溶剂(乙二醇碳酸酯8g，甘油单乙酸酯6g)和2g甲基三氟丙基硅油(分子量2000g/mol)在60℃下混合均匀，形成均匀的纺丝溶液，并于60℃下静置脱泡6h；对该纺丝溶液进行静电纺丝，得到具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜。其中，静电纺丝条件为：喷丝头内径为0.3mm，喷丝头到接收装置间距为18cm，纺丝电压24kV，注射速度为1.0mL/h，环境温度为25±1℃，环境湿度为30±3％。
2)将具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜置于95℃的鼓风干燥箱中热处理10h，诱导甲基三氟丙基硅油的界面迁移，得到甲基三氟丙基硅油修饰的纳米纤维基膜。
3)将甲基三氟丙基硅油修饰的纳米纤维基膜置于两块聚四氟乙烯板之间，在0.02MPa压力下，160℃热压处理15min，改善纳米纤维间的空间结构，即得所述超疏水、抗粘附的纳米纤维膜。
将本实施例得到的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试：将膜装入直接接触式膜蒸馏装置的膜组件中，以60℃的模拟海水(2.7％NaCl，0.3％MgCl2，0.2％CaSO4，0.1％CaSO4和0.2％MgSO4)为进料液，20℃的去离子水为渗透液，测得起始的水通量为80.5Lm-2h-1，出水电导率为1.3μS/cm，截盐率>99.9％，连续运行24h后，水通量和出水电导率均未见明显改变，在连续运行24h过程中，水通量在79-82Lm-2h-1之间，出水电导率在5μS/cm以下。将膜组件中本实施例制得的纳米纤维膜替换为传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜进行测试，运行24h后，传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜的水通量由起始的58.6Lm-2h-1下降到33.3Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到13.3μS/cm。本实施例制得的超疏水、抗粘附的纳米纤维膜与传统的聚偏氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜相比，筛分性能和运行稳定性均得到了明显提高。
实施例7
与实施例1的区别在于，共溶剂仅选用一种组分四甘醇，其他同实施例1。将本实施例制备的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试，运行24h后，水通量由起始的70.6Lm-2h-1下降到52.1Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到6.4μS/cm，与实施例1的性能相比，实施例7所得的纳米纤维膜，筛分性能和运行稳定性均有所降低。将共溶剂替换成其他的单个组分：乙二醇碳酸酯或甘油单乙酸酯，制备的纳米纤维膜的膜筛分性能和运行稳定性也均比实施例1的性能低；将共溶剂替换成三种组分混合：四甘醇、乙二醇碳酸酯和甘油单乙酸酯，制备的纳米纤维膜的膜筛分性能和运行稳定性也均比实施例1的性能低。表明共溶剂选用四甘醇、乙二醇碳酸酯和甘油单乙酸酯中的两种组合时，可提高膜筛分性能和运行稳定性。
实施例8
与实施例1的区别在于，共溶剂中的组分四甘醇12.5g，乙二醇碳酸2.5g，即四甘醇与乙二醇碳酸的质量比为5：1，其他同实施例1。将本实施例制备的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试，运行24h后，水通量由起始的72.4Lm-2h-1下降到58.2Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到5.8μS/cm，与实施例1的性能相比，实施例8所得的纳米纤维膜，筛分性能和运行稳定性均有所降低。表明共溶剂选用四甘醇、乙二醇碳酸酯和甘油单乙酸酯中的两种组合，且按照本发明限定的质量比时，可提高膜筛分性能和运行稳定性。
对比例1
与实施例6的区别在于，对比例1中聚偏氟乙烯-六氟丙烯的添加量为3.5g，其他同实施例6。
将本对比例制备的纳米纤维膜进行膜蒸馏性能测试，运行24h后，水通量由起始的71.5Lm-2h-1下降到56.4Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到6.8μS/cm，与实施例6的性能相比，对比例1所得的纳米纤维膜，筛分性能和运行稳定性均有所降低。对比例1由于成膜材料聚偏氟乙烯-六氟丙烯的添加量偏低，导致最终形成的纳米纤维膜具有串珠结构(如图6所示)，串珠结构的存在增加了纤维膜表面的粗糙度，有利于实现超疏水特点，然而串珠主要是由低浓度静电纺丝液的非均匀拉丝形成的，大小不易控制，且可能堵塞膜孔，不利于多孔膜的传质过程，导致筛分性能和运行稳定性均有所降低。
对比例2
与实施例1的区别在于，制备过程中未进行热处理，其他同实施例1。
对本对比例所得的纳米纤维膜进行与实施例1同样的膜蒸馏性能检测，运行24h后，本对比例制得的纳米纤维膜的水通量由起始的66.0Lm-2h-1下降到36.4Lm-2h-1，出水电导率由1.3μS/cm上升到10.3μS/cm，与实施例1的性能相比，未经过热处理的对比例2所得的纳米纤维膜，筛分性能和运行稳定性均有所降低，表明热处理过程能够明显改善了纳米纤维膜的筛分性能和运行稳定性，这主要是由于热处理明显促进了液态分子的迁移。
分别对实施例1、对比例2制备的纳米纤维膜和传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜进行表面红外光谱检测，参照图2，图2中的编号1，2，3分别对应实施例1、对比例2制备的纳米纤维膜和传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜，由图2可以看出，相对于传统的聚偏氟乙烯纳米纤维膜，实施例1的纳米纤维膜在1018cm-1、791cm-1和1263cm-1处出现新的强吸收特征峰，分别对应于液态分子Si-O-Si伸缩振动、Si-CH3伸缩和弯曲振动峰；相对于未经热处理的纳米纤维膜，实施例1的纳米纤维膜表面的液态分子特征吸收峰明显增强，表明更多的液态分子已迁移至膜表面，其与具有多级粗糙结构的纳米纤维基膜协同作用，赋予纳米纤维膜超疏水性和液态仿生抗粘附特性，从而显著改善了膜筛分性能和运行稳定性。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种纳米纤维膜，其特征在于，包括低表面能液态分子和纳米纤维基膜；所述纳米纤维基膜包括纳米纤维和负载在所述纳米纤维表面的纳米颗粒；所述低表面能液态分子分布在所述纳米纤维和所述纳米颗粒的表面；所述低表面能液态分子的表面能为0.020-0.025J/m2；
所述纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
将成膜材料、主溶剂、共溶剂和所述低表面能液态分子混匀，形成纺丝溶液，对所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到所述纳米纤维基膜；
将所述纳米纤维基膜依次进行热处理和热压处理，得到所述纳米纤维膜；
所述成膜材料、所述主溶剂、所述共溶剂和所述低表面能液态分子的质量比为8-16：100：10-100：1-10；
所述成膜材料包括聚偏氟乙烯、聚乙烯-四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚乙烯-三氟氯乙烯、聚苯乙烯中的至少一种；所述主溶剂包括N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的至少一种；所述共溶剂包括四甘醇、乙二醇碳酸酯、甘油单乙酸酯中的至少一种；
所述静电纺丝的条件为：喷丝头内径为0.2-0.6mm，喷丝头到接收装置间距为10-30cm，纺丝电压10-50kV，注射速度为0.3-2.0mL/h，环境温度为20-30℃，环境湿度为20-70％；所述热处理的条件为：温度为60-160℃，时间为5-25h，处理氛围为空气或氮气；所述热压处理的条件为：温度为140-180℃，压力为0.005-0.05MPa，时间为1-60min。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维膜，其特征在于，所述低表面能液态分子包括苯基硅油、甲基苯基硅油、甲基三氟丙基硅油中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的纳米纤维膜，其特征在于，所述纳米纤维的直径为300-1000nm，所述纳米颗粒的粒径为20-100nm；所述纳米纤维膜的厚度为50-150μm、水接触角为155-165°、表面张力为21-25mN/m。
4.权利要求1-3任一项所述的纳米纤维膜在水净化中的应用。
5.一种膜蒸馏装置，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的纳米纤维膜。
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