CN113756013A - 一种二级孔结构的纳米纤维膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种二级孔结构的纳米纤维膜及其制备方法，所述纳米纤维膜的纤维表面具有微孔，所述微孔的尺寸为30nm～50nm之间；所述纳米纤维膜的其中一侧表面具有小孔，所述小孔的尺寸为200um～1200μm之间。本专利中因为不对称的二级孔的存在，而二级孔的尺寸相较于一级孔大，使得膜的有效进水面积大大增加的同时它的纳污量也高了很多，而同时在过滤的原理上又与常规的聚乳酸膜有相似之处，即也是通过纤维之间的孔隙来过滤的，因此在效率上二者类似；且因为进出面比表面积的差异化，使得本发明的滤膜在过滤速率上远超于传统的聚乳酸膜；且纳污量的提高也使得本发明的使用寿命得到了有效的提升。

Description

一种二级孔结构的纳米纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及过滤行业，尤指一种二级孔结构的纳米纤维膜及其制备方法。
背景技术
纳米纤维膜被广泛应用于过滤行业，主要针对微颗粒过滤、饮用水中细菌、病毒、重金属离子的吸附、印染废水等污水净化。现有使用最为频繁的聚乳酸滤膜，其过滤结构是纤维之间的空隙(微孔)，这些空隙(微孔)往往在过滤的过程中随着杂质的积累而产生堵塞，因为其紧密的微孔形态使它的纳污量较小。因此其使用周期短，更换频繁。但如果孔径太大，又达不到理想的过滤效果。
有鉴于此，本发明人针对现有技术中的上述缺陷深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拥有两个级别孔隙的膜结构，具有高度的不对称性。大大的提高了滤膜的过滤效率，同时也间接提高了膜的使用寿命。
为实现上述目的，具体做法为，一种二级孔结构的纳米纤维膜，所述纳米纤维膜的纤维表面具有微孔，所述微孔的尺寸为30nm～50nm之间；所述纳米纤维膜的其中一个表面具有小孔，所述小孔的尺寸为200～1200μm之间。
进一步，所述纳米纤维膜为聚乳酸膜。
一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，包含以下步骤：
步骤一：将左旋聚乳酸置于二氯甲烷溶剂中，常温下搅拌至左旋聚乳酸完全溶解，得到聚合物；
步骤二：使用常规的静电纺丝设备，将可溶于水的固态颗粒晶体均匀的散铺在静电纺丝设备的接收装置上；将步骤一所得的聚合物在蠕动泵的输送下进入喷丝头，然后开始纺丝；
步骤三：待纺丝完毕后，取出成型的聚乳酸膜浸泡于纯水中，待可溶于水的固态颗粒晶体完全溶解后捞出并烘干即得二级孔结构的纳米纤维膜。
进一步，所述步骤一中，左旋聚乳酸的聚合度约为15万；二氯甲烷溶剂中左旋聚乳酸的含量为7.5wt％。
进一步，所述步骤二的可溶于水的固态颗粒晶体其用量根据实际打印纳米纤维膜的大小决定。
进一步，步骤二中所述喷丝头的开口直径为400～800μm。
进一步，所述步骤二中下面的接受装置距离喷丝头为15～30cm，二者间的电压为25～45kv。
进一步，所述可溶于水的固态颗粒晶体为蔗糖晶体、钠盐、钾盐其中一种或多种混合。
进一步，所述可溶于水的固态颗粒晶体的尺寸为0.3mm～1.2mm。
本发明本专利中所提到的二级多孔纤维膜结构，其形成原理主要如下：
一级孔的原理：聚乳酸溶液在纺丝过程中与溶剂的二氯甲烷,而二氯甲烷的室温下沸点为40℃，在压力较大时会更低，因此在静电纺丝的过程中，二氯甲烷随聚合物射流喷出，一部分在这个过程中已经挥发，剩余一部分则随着聚合物纤维成型，后续缓慢挥发掉之后聚合物会收缩在纤维表面上形成微孔，这样便增大了纤维的比表面积。
二级孔的制孔原理：静电纺丝的接收板上因覆盖有薄薄一层固态颗粒晶体晶体，因此在接收的时候NaCL晶体也被包覆在里面，最终形成的膜是不对称型的，因为贴着接收板一侧的NaCl晶体并不完全在膜内，待纺丝完毕后，取出成型的聚乳酸膜浸泡于纯水中30min，待NaCL晶体完全溶解后将膜捞出并烘干，则形成了与NaCL晶体一样大的二级孔。
我们会将二级孔的一侧定义为进水面，另一侧则为出水面；本专利中因为不对称的二级孔的存在，而二级孔的尺寸相较于一级孔大，使得膜的有效进水面积大大增加的同时它的纳污量也高了很多，不会轻易被堵塞，而同时在过滤的原理上又与常规的聚乳酸膜有相似之处，即也是通过纤维之间的孔隙来过滤的，因此在效率上二者类似；且因为进出面比表面积的差异化使得，使得本发明的滤膜在过滤速率上远超于传统的聚乳酸膜；且堵塞情况的减轻也使得本发明的使用寿命得到了有效的提升。
附图说明
作为非限制性例子给出的具体说明更好地解释本发明包括什么以及其可被实施，此外，该说明参考附图，在附图中：
图1为本专利实施例的静电纺丝设备示意图；
图2为本专利实施例的膜结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
实施例：
如图1所示，根据以下步骤制作一种二级孔结构的纳米纤维膜2，具体如下：
步骤一：将左旋聚乳酸置于二氯甲烷溶剂中，常温下搅拌至左旋聚乳酸完全溶解；左旋聚乳酸的聚合度约为15万；所述二氯甲烷溶剂中左旋聚乳酸的含量为7.5wt％；
步骤二：使用常规的静电纺丝设备1，将0.1gNaCL晶体均匀的散铺在静电纺丝设备1的接收装置13上，然后开始纺丝，所述NaCL晶体的尺寸为0.3mm～1.2mm；将步骤一中所得的聚合物在蠕动泵14的输送下进入喷丝头11喷出丝12，所述喷丝头11的开口直径为500um，下面的接受装置13距离喷丝头11为20cm，二者间的电压为40KV；
步骤三：待纺丝完毕后，取出成型的聚乳酸膜浸泡于纯水中30min，待NaCL晶体完全溶解后捞出并烘干即得二级孔结构的纳米纤维膜2。
如图2所示，所述二级孔结构的纳米纤维膜2的纤维表面具有微孔22，所述微孔22的尺寸为30～50nm之间；所述纳米纤维膜的其中一个表面具有小孔23，所述小孔23的尺寸为200～1200μm之间。
将实施例所得的二级孔结构的纳米纤维膜2与市面上经常使用的相同材质的聚乳酸进行对比实验，分别对两款膜的过滤效率、过滤速度、使用寿命进行了对比实验。
一、过滤效率对比，测试方法为：
通过A4颗粒粉配置多份相同颗粒浓度的测试水溶液，待配好之后将从原液中取出一小份留作对比用，然后使用相同的过滤装置，在同样的温度和压力下分别用两款滤膜对原液进行过滤，分别取从过滤开始10s、20s、30s时段的滤液各10ml，并做好标记；
通过8jd通道颗粒检测仪器对原液和上述各时段滤液进行检测，测出其中10um、50um颗粒的浓度，并计算效率，最终得到表一数据：
表一 过滤效率的测试数据
Figure BDA0003261518060000031
通过实验我们发现，本专利所得的二级孔结构的纳米纤维膜对10μm和50μm固体颗粒的每个时段的平均过滤效率分别为99.86％和99.93％，而常规的聚乳酸滤膜的每个时段的平均过滤效率分别是99.82％99.92％；由此可见二者的过滤效率极为接近，本专利并没有损失过滤效率。
二、过滤速率对比，测试方法如下：
在相同条件下(同温度同压力)，用纯净水+A4颗粒粉配制测试水溶液，其中含量是每100L水中5gA4颗粒粉，分别测试了两款膜过滤500mL测试水溶液所需要的时间。为避免数据的偶然性，重复实验三次，得出表二数据：
表二 过滤速率的测试数据
Figure BDA0003261518060000041
通过上述测试数据发现，本专利所得的二级孔结构的纳米纤维膜的测试速率远远快于常规聚乳酸滤膜的测试速率，能更快的完成过滤过程。
三、使用寿命对比，测试方法如下：
通常滤膜的使用寿命测试手段是自来水持续不断的通过滤膜过滤，直至下游流速最终衰减至10％结束，因此又称作自来水寿命测试。本实验中我们通过给定上游同样的水压，使相同的自来水分别通过两款滤膜，测试其初始流速和最终流速，并计时，以得到其使用寿命值，具体测试数据如下表三：
表三：过滤寿命的测试数据
滤膜 PLLD二级孔滤膜 常规聚乳酸滤膜(0.45μm)
初始流速/时间 18.37mL/min；0时0分30秒 13.45mL/min；0时0分30秒
最终流速/时间 1.93mL/min；6时23分50秒 1.24mL/min；3时51分27秒
通过表三数据看出，本专利的使用寿命比对比例的延长了66％，因此通过该实验可证明，本专利所制备的二级孔结构的纳米纤维膜在使用寿命上相较于常规的聚乳酸膜更为长久。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
上述实施例和图示并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化和修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.一种二级孔结构的纳米纤维膜，其特征在于：所述纳米纤维膜的纤维表面具有微孔，所述微孔的尺寸为30nm～50nm之间；所述纳米纤维膜的其中一个表面具有小孔，所述小孔的尺寸为200um～1200μm之间。
2.如权利要求1所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜，其特征在于：所述纳米纤维膜为聚乳酸膜。
3.一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：
步骤一：将左旋聚乳酸置于二氯甲烷溶剂中，常温下搅拌至左旋聚乳酸完全溶解，得到聚合物溶液；
步骤二：使用常规的静电纺丝设备，将可溶于水的固态颗粒晶体均匀的散铺在静电纺丝设备的接收装置上；将步骤一所得的聚合物在蠕动泵的输送下进入喷丝头，然后开始纺丝；
步骤三：待纺丝完毕后，取出成型的聚乳酸膜浸泡于纯水中，待可溶于水的固态颗粒晶体完全溶解后捞出并烘干即得二级孔结构的纳米纤维膜。
4.如权利要求3所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一种，左旋聚乳酸的聚合度约为15万；二氯甲烷溶剂中左旋聚乳酸的含量为7.5wt％。
5.如权利要求3所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述步骤二可以选择不同大小的固态颗粒晶体来控制小孔孔径的大小；通过改变晶体分布的密度改变小孔的密度。
6.如权利要求3所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：步骤二中所述喷丝头的开口直径为400～800μm。
7.如权利要求3所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述步骤二中下面的接受装置距离喷丝头为15～30cm，二者间的电压为25～45kv。
8.如权利要求3所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述可溶于水的固态颗粒晶体为蔗糖晶体、钠盐、钾盐其中一种或多种混合。
9.如权利要求3所述的一种二级孔结构的纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述可溶于水的固态颗粒晶体的尺寸为0.3mm～1.2mm。
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