CN114618317B - 抗结垢过滤膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露内容提供一种抗结垢过滤膜，其是藉由包括以下试剂制备而成：以式(1)表示的聚醚酰亚胺以及以式(2)表示的聚醚胺交联剂。其中n为整数，且50≦n≦70。其中a、b及c为整数，且(a+c)≦b。本揭露的抗结垢过滤膜可达到良好的抗结垢效果，从而具有高过滤效率以及长使用寿命。
Description
技术领域
本揭露内容是有关于一种抗结垢过滤膜及其制备方法，且特别是有关于一种由经亲水性改质后的聚醚酰亚胺制备而成的抗结垢过滤膜及其制备方法。
背景技术
近年来，由于疏水过滤膜具有良好的热稳定性、化学稳定性及加工便利性，因此常被选用以作为工业用过滤膜。然而，各种污染物常因疏水过滤膜的低表面能而附着于疏水过滤膜的表面，从而结垢以导致膜孔堵塞，使得疏水过滤膜往往存在着过滤效率低及使用寿命短的问题。因此，如何在不影响过滤效率的前提下，提升过滤膜的抗结垢能力以提升过滤膜的使用寿命为业者积极研究的重要课题。
发明内容
本揭露内容提供一种抗结垢过滤膜以及其制备方法。本揭露的抗结垢过滤膜可达到良好的抗结垢效果，从而具有高过滤效率以及长使用寿命。
根据本揭露一些实施方式，一种抗结垢过滤膜藉由包括以下试剂制备而成：以式(1)表示的聚醚酰亚胺以及以式(2)表示的聚醚胺交联剂。式(1)及式(2)分别如下所示：
式(1)，其中n为整数，且50≦n≦70。
式(2)，其中a、b及c为整数，且(a+c)≦b。
在一些实施方式中，聚醚胺交联剂的平均分子量介于900g/mole至2000g/mole间。
在一些实施方式中，在聚醚胺交联剂中，(a+c)/b介于0.2至1.0间。
在一些实施方式中，抗结垢过滤膜的孔径介于10nm至100nm间。
在一些实施方式中，抗结垢过滤膜的表面与水的接触角介于55度至70度间。
根据本揭露另一些实施方式，一种抗结垢过滤膜的制备方法包括以下步骤。混合聚醚酰亚胺以及聚醚胺交联剂，以形成第一混合物，其中当聚醚酰亚胺以100重量份计时，聚醚胺交联剂的含量介于0.2重量份至10重量份间。对第一混合物进行热制程，以形成第二混合物，其中热制程的反应温度介于30℃至100℃间，且热制程的反应时间介于1.5小时至8小时间。对第二混合物进行成膜制程，以形成抗结垢过滤膜。
在一些实施方式中，第二混合物的粘度介于4000cP至10000cP间。
在一些实施方式中，成膜制程包括以下步骤。第二混合物涂布至基材的表面；以及进行相分离，以形成抗结垢过滤膜。
在一些实施方式中，成膜制程的涂布速率介于5m/min至20m/min间。
在一些实施方式中，成膜制程的涂布厚度介于10μm至100μm间。
根据本揭露上述实施方式，由于本揭露的抗结垢过滤膜是藉由使用特定的聚醚胺交联剂对特定的聚醚酰亚胺进行亲水性改质而制成，因此抗结垢过滤膜可具有一定程度的亲水性，从而于过滤期间达到良好的抗结垢效果。此外，通过适当地控制热制程的反应时间及反应温度，可提升后续涂布制程的便利性，以确保孔洞良好地成型于抗结垢过滤膜中，从而使本揭露的抗结垢过滤膜适用于各种尺寸等级的过滤系统。基于上述，本揭露的的抗结垢过滤膜具有高过滤效率以及长使用寿命。
附图说明
为让本揭露的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1绘示根据本揭露一些实施方式的抗结垢过滤膜的制备方法的流程图；
其中，符号说明：
S10～S30:步骤。
具体实施方式
以下将以图式揭露本揭露的多个实施方式，为明确地说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本揭露。也就是说，在本揭露部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的，因此不应用以限制本揭露。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示之。另外，为了便于读者观看，图式中各元件的尺寸并非依实际比例绘示。
在本文中，有时以键线式(skeleton formula)表示聚合物或基团的结构。这种表示法可省略碳原子、氢原子以及碳氢键。当然，结构式中有明确绘出原子或原子基团的，则以绘示者为准。
本揭露内容提供一种抗结垢过滤膜以及其制备方法。通过使用特定的聚醚酰亚胺以及聚醚胺交联剂来制备本揭露的抗结垢过滤膜，可使抗结垢过滤膜达到良好的抗结垢效果，从而具有高过滤效率以及长使用寿命。
图1绘示根据本揭露一些实施方式的抗结垢过滤膜的制备方法的流程图。抗结垢过滤膜的制备方法包括步骤S10、S20以及S30。在步骤S10中，混合聚醚酰亚胺以及聚醚胺交联剂，以形成第一混合物。在步骤S20中，对第一混合物进行热制程，以形成第二混合物。在步骤S30中，对第二混合物进行成膜制程，以形成抗结垢过滤膜。在以下叙述中，将进一步说明上述各步骤。
首先，进行步骤S10，将100重量份的聚醚酰亚胺及0.2重量份至10重量份聚醚胺交联剂均匀混合，以形成第一混合物。换句话说，在第一混合物中，当聚醚酰亚胺以100重量份计时，聚醚胺交联剂的含量介于0.2重量份至10重量份间。在一些实施方式中，可将聚醚酰亚胺及聚醚胺交联剂溶解于例如N-甲基吡咯烷酮(NMP)的溶剂中，以利于聚醚酰亚胺与聚醚胺交联剂间的混合。举例而言，可先将聚醚酰亚胺溶于N-甲基吡咯烷酮中以配置为20wt％的溶液，再将聚醚胺交联剂加入溶液中以形成第一混合物。
本揭露的聚醚酰亚胺具有以式(1)表示的分子结构，
式(1)，其中n为整数，且50≦n≦70。在一些实施方式中，聚醚酰亚胺的比重可介于1.20至1.30间，以提升聚醚酰亚胺与聚醚胺交联剂间的混合均匀性，从而提升各试剂(例如，聚醚酰亚胺以及聚醚胺交联剂)于后续热制程期间的反应性。本揭露的聚醚酰亚胺具有一定程度的疏水性，适用于制备本揭露的抗结垢过滤膜。
本揭露的聚醚胺交联剂具有以式(2)表示的分子结构，
式(2)，其中a、b及c为整数，且(a+c)≦b。换句话说，在聚醚胺交联剂中，聚乙二醇(PEG)嵌段的数量是大于或等于聚丙二醇(PPG)嵌段的数量。如此一来，聚醚胺交联剂可具有一定程度的亲水性，适用于对聚醚酰亚胺进行亲水性改质，从而使本揭露的抗结垢过滤膜达到良好的抗结垢效果。在一些实施方式中，在以式(2)表示的分子结构中，(a+c)/b可介于0.2至1.0间，且较佳是介于0.4至0.5间，以较佳地使本揭露的抗结垢过滤膜达到良好的抗结垢效果。在一些实施方式中，聚醚胺交联剂的平均分子量可介于900g/mole至2000g/mole间，以使聚醚胺交联剂于后续热制程期间具有良好的反应性，从而提升抗结垢过滤膜的良率，并可使得后续所形成抗结垢过滤膜适用于高温的环境。详细而言，当聚醚胺交联剂的平均分子量大于2000g/mole时，聚醚胺交联剂可能因过于粘稠而不利于在热制程期间进行反应；当聚醚胺交联剂的平均分子量小于900g/mole时，可能导致后续所形成的抗结垢过滤膜无法适用于高温的环境。
接着，进行步骤S20，以对第一混合物进行热制程，从而形成第二混合物。详细而言，在热制程期间，聚醚酰亚胺与聚醚胺交联剂可进行交联反应，以使聚醚胺交联剂对聚醚酰亚胺进行亲水性改质。热制程的反应温度介于30℃至100℃间，且热制程的反应时间介于1.5小时至8小时间，以使聚醚酰亚胺与聚醚胺交联剂充分地反应。在一些实施方式中，第二混合物在特定温度下的粘度可介于4000cP至10000cP间，以利于后续的成膜制程，此将于下文中进行更详细的说明。
随后，进行步骤S30，以对第二混合物进行成膜制程，从而形成本揭露的抗结垢过滤膜。在一些实施方式中，可先将第二混合物涂布至承载用的基材的表面，并接着放置于例如是水的溶剂中进行相分离，从而形成抗结垢过滤膜。在一些实施方式中，基材可例如是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，从而在不影响第二混合物的性质的前提下，提供良好的承载强度。在成膜制程期间，第二混合物的涂布速率以及涂布厚度可影响抗结垢过滤膜的过滤效果以及结构强度。在一些实施方式中，第二混合物的涂布速率可介于5m/min至20m/min间。详细而言，当第二混合物的涂布速率小于5m/min时，可能使得第二混合物容易渗入至基材中，导致孔洞难以成型，从而影响抗结垢过滤膜的过滤效果；当第二混合物的涂布速率大于20m/min时，可能使得第二混合物具有差的成膜性，导致抗结垢过滤膜的整体结构容易扁塌。在一些实施方式中，第二混合物的涂布厚度可介于10μm至100μm间。详细而言，当第二混合物的涂布厚度小于10μm时，可能使得抗结垢过滤膜的整体结构脆弱；当第二混合物的涂布厚度大于100μm时，容易造成涂布的困难度提升，导致抗结垢过滤膜产生结构上的缺陷。
如前文中所述，第二混合物在特定温度下的粘度可介于4000cP至10000cP间，以有利于成膜制程。更具体而言，第二混合物于涂布时的温度可介于25℃至30℃间，且第二混合物在温度为25℃至30℃间的粘度可介于4000cP至10000cP间。当第二混合物的粘度介于此范围中时，可确保第二混合物易于涂布，从而提升抗结垢过滤膜的过滤效果以及结构强度。详细而言，当第二混合物的粘度小于4000cP时，第二混合物可能因过于稀薄而易于渗入基材中，导致孔洞难以成型，从而对抗结垢过滤膜的过滤效果产生不良的影响；当第二混合物的粘度大于10000cP时，容易造成涂布的困难度提升，不利于涂布制程。应了解到，第二混合物的粘度可例如是使用标准方法ASTM D445测量而得的结果。综上所述，第二混合物的涂布速率、涂布厚度以及于特定温度下的粘度皆可影响抗结垢过滤膜的过滤效果以及结构强度。在较佳的实施方式中，第二混合物的涂布速率可介于14m/min至16m/min间，涂布厚度可介于90μm至110μm间，且粘度可介于6000cP至8000cP间。
在进行上述步骤S10至S30后，即可得到本揭露的抗结垢过滤膜。通过使用特定的聚醚胺交联剂以对聚醚酰亚胺进行亲水性改质，可使抗结垢过滤膜于过滤时达到良好的抗结垢效果，以具有高过滤效率及长使用寿命。另一方面，通过使用合适的条件(例如，涂布速率以及涂布厚度)进行成膜制程，可使抗结垢过滤膜具有良好的过滤效果以及结构强度。在一些实施方式中，抗结垢过滤膜的表面与水的接触角可介于55度至70度间。换句话说，本揭露的抗结垢过滤膜可具有一定程度的亲水性，从而达到良好的抗结垢效果。在一些实施方式中，抗结垢过滤膜的孔径可介于10nm至100nm间，从而适用于各种尺寸等级的过滤系统。举例而言，本揭露的抗结垢过滤膜可适用于微过滤(MF)、超过滤(UF)以及奈米过滤(NF)系统。
下文将参照各实施例及各比较例，更具体地描述本揭露的特征及功效。应了解到，在不逾越本揭露范畴的情况下，可适当地改变所用材料、其量及比例、处理细节以及处理流程等。因此，不应由下文所述的实施例对本揭露作出限制性的解释。
<实验例1：抗结垢过滤膜的抗结垢效果测试>
在本实验例中，以前述步骤S10至S30制备各实施例的抗结垢过滤膜，并以肉眼观察各实施例的抗结垢过滤膜及各比较例的过滤膜的抗结垢效果。各实施例及各比较例的成分说明与制程条件以及各自所对应的抗结垢效果如表一所示，其中各实施例及各比较例所使用的聚醚酰亚胺以及聚醚胺交联剂分别具有以前述式(1)以及式(2)表示的分子结构。
表一
注1：「◎」代表抗结垢效果显著；「○」代表抗结垢效果佳；「X」代表不具有抗结垢效果
注2：第二混合物的粘度是在温度为27℃时所测量的结果
由表一的比较例1～2及4～8可知，当所形成的第二混合物具有大于10000cP的粘度时，第二混合物因过于粘稠而难以涂布，导致过滤膜无法具有抗结垢效果。由表一的比较例3可知，当热制程的反应时间过短时，第二混合物因反应进行不完全而具有过低的粘度，导致孔洞难以于涂布时成型，使得过滤膜无法具有抗结垢效果。相对地，由各实施例可知，当添加适量的聚醚酰亚胺及聚醚胺交联剂于适当的热制程条件形成具有适当粘度的第二混合物，并藉由适当的涂布条件形成抗结垢过滤膜时，抗结垢过滤膜可达到良好的抗结垢效果。另一方面，由表一的实施例10～15可知，相较于使用分子量为2000g/mole的聚醚胺交联剂，当使用分子量为900g/mole的聚醚胺交联剂时，所形成的抗结垢过滤膜可达到较显著的抗结垢效果。
<实验例2：抗结垢过滤膜的膜通量测试>
在本实验例中，以聚偏二氟乙烯(PVDF)过滤膜做为比较例9的过滤膜，并使用实施例15的抗结垢过滤膜以及比较例9的过滤膜对自制的乳化油水配方进行过滤，以测量单位时间内通过单位面积的抗结垢过滤膜及过滤膜的水的体积。本实验例的乳化油水配方是藉由将大豆沙拉油混入水中以配置为1wt％的沙拉油溶液，并加入0.5wt％的界面活性剂于沙拉油溶液中搅拌均匀而制得。膜通量的测试结果如表二所示。
表二
由表二可知，相较于比较例9的过滤膜，实施例15的抗结垢过滤膜于每一分钟的膜通量皆明显较大，显示具有较佳的过滤效果。
根据本揭露上述实施方式，由于本揭露的抗结垢过滤膜是藉由使用特定的聚醚胺交联剂对特定的聚醚酰亚胺进行亲水性改质而制成，因此抗结垢过滤膜可具有一定程度的亲水性，从而于过滤期间达到良好的抗结垢效果。此外，通过适当地控制热制程的反应时间及反应温度，可提升后续涂布制程的便利性，以确保孔洞良好地成型于抗结垢过滤膜中，从而使本揭露的抗结垢过滤膜适用于各种尺寸等级的过滤系统。基于上述，本揭露的抗结垢过滤膜可具有高过滤效率以及长使用寿命。
虽然本揭露已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本揭露，任何熟习此技艺者，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭露的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (8)
1.一种抗结垢过滤膜，其特征在于，藉由包括以下试剂制备而成：
以式(1)表示的聚醚酰亚胺，
其中n为整数，且50≦n≦70；以及
以式(2)表示的聚醚胺交联剂，
其中a、b及c为整数，且(a+c)≦b，
其中所述抗结垢过滤膜的孔径介于10nm至100nm间。
2.如权利要求1所述的抗结垢过滤膜，其中所述聚醚胺交联剂的平均分子量介于900g/mole至2000g/mole间。
3.如权利要求1所述的抗结垢过滤膜，其中在所述聚醚胺交联剂中，(a+c)/b介于0.2至1.0间。
4.如权利要求1所述的抗结垢过滤膜，其中所述抗结垢过滤膜的表面与水的接触角介于55度至70度间。
5.一种抗结垢过滤膜的制备方法，其特征在于，包括：
混合聚醚酰亚胺以及聚醚胺交联剂，以形成第一混合物，其中当所述聚醚酰亚胺以100重量份计时，所述聚醚胺交联剂的含量介于0.2重量份至10重量份间，所述聚醚酰亚胺以式(1)表示，且所述聚醚胺交联剂以式(2)表示，
其中n为整数，且50≦n≦70；
其中a、b及c为整数，且(a+c)≦b；
对所述第一混合物进行热制程，以形成第二混合物，其中所述热制程的反应温度介于30℃至100℃间，且所述热制程的反应时间介于1.5小时至8小时间；以及
对所述第二混合物进行成膜制程，以形成孔径介于10nm至100nm间的所述抗结垢过滤膜，其中所述成膜制程包括：
将所述第二混合物涂布至基材的表面；以及
在水中进行相分离，以形成所述抗结垢过滤膜。
6.如权利要求5所述的抗结垢过滤膜的制备方法，其中所述第二混合物的粘度介于4000cP至10000cP间。
7.如权利要求5所述的抗结垢过滤膜的制备方法，其中所述成膜制程的涂布速率介于5m/min至20m/min间。
8.如权利要求5所述的抗结垢过滤膜的制备方法，其中所述成膜制程的涂布厚度介于10μm至100μm间。
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