CN114699927A - 聚偏氟乙烯过滤膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种聚偏氟乙烯过滤膜及其制备方法和应用。聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法如下：将丙酮与能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合，得到混合溶剂，混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％；将聚偏氟乙烯溶解于混合溶剂中，得到聚偏氟乙烯溶液，聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％；将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜。本申请采用由丙酮和能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合而成的混合溶剂将聚偏氟乙烯溶解后，采用溶液喷射纺丝工艺将聚偏氟乙烯溶液纺丝，形成聚偏氟乙烯过滤膜，添加易挥发的丙酮能改变聚偏氟乙烯过滤膜的表面形貌，使得聚偏氟乙烯过滤膜的水接触角增大，加强聚偏氟乙烯过滤膜的疏水亲油性，增强了油过滤效果。
Description
技术领域
本申请属于过滤技术领域，尤其涉及一种聚偏氟乙烯过滤膜及其制备方法和应用。
背景技术
海水油污染已成为一项危害全球生态的问题，油水分离技术对解决海水油污染问题至关重要。目前通常采用纳米纤维过滤膜进行油水分离，成本低，制备方法简单，具有较为广阔的商业前景。但现有的纳米纤维过滤膜存在着水接触角较小的缺陷，导致过滤膜的油过滤性能不佳，影响油水分离效果。
发明内容
本申请实施例提供一种聚偏氟乙烯过滤膜及其制备方法和应用，以解决现有的纳米纤维过滤膜由于水接触角较小而导致过滤性能不佳的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将丙酮与能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合，得到混合溶剂，所述混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％；
将聚偏氟乙烯溶解于所述混合溶剂中，得到聚偏氟乙烯溶液，所述聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％；
将所述聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜。
可选的，所述混合溶剂中的丙酮质量分数为5％～14％；和/或所述聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为22％～25％。
可选的，所述将聚偏氟乙烯溶解于所述混合溶剂中的步骤包括：将聚偏氟乙烯添加到所述混合溶剂中，在60℃的温度下搅拌至溶解。
可选的，所述将聚偏氟乙烯溶解于所述混合溶剂中的步骤包括：将聚偏氟乙烯添加到所述混合溶剂中，在60℃的温度下以60rpm～1000rpm的转速搅拌0.1h～12h。
可选的，所述预设溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和磷酸三乙酯中的至少一种。
可选的，纺丝时的接收距离为10cm～100cm。
可选的，纺丝时的喷射速度为0.5mL/h～15mL/h。
可选的，纺丝时，压缩空气的气流速度为4m/s～60m/s。
第二方面，本申请实施例提供一种聚偏氟乙烯过滤膜，所述聚偏氟乙烯过滤膜采用如上任一项所述的制备方法制得。
第三方面，本申请实施例提供一种如上所述的聚偏氟乙烯过滤膜在油水分离或液体过滤领域的应用。
本申请至少具有以下有益效果：
本申请实施例提供的聚偏氟乙烯过滤膜及其制备方法和应用，采用由丙酮和能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合而成的混合溶剂将聚偏氟乙烯溶解，混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％，聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％，然后采用溶液喷射纺丝工艺将聚偏氟乙烯溶液进行纺丝，形成聚偏氟乙烯过滤膜，通过添加易挥发的丙酮能改变聚偏氟乙烯过滤膜的表面形貌，使得聚偏氟乙烯过滤膜的水接触角增大，加强聚偏氟乙烯过滤膜的疏水亲油性，从而提高了吸油性能，增强了油过滤效果；而且，通过采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，方法简单，成本较低，生产效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
图1为本申请实施例提供的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法流程示意图。
图2为实施例1～实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜的水接触角性能图。
图3为实施例2制得的聚偏氟乙烯过滤膜的SEM图。
图4为实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，如图1所示，聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法包括以下步骤：
S100、将丙酮与能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合，得到混合溶剂，混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％；
S200、将聚偏氟乙烯(即PVDF)溶解于混合溶剂中，得到聚偏氟乙烯溶液，聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％；
S300、将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜。
本申请实施例提供的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，采用由丙酮和能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合而成的混合溶剂将聚偏氟乙烯溶解，混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％，聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％，然后采用溶液喷射纺丝工艺将聚偏氟乙烯溶液进行纺丝，形成聚偏氟乙烯过滤膜，通过添加易挥发的丙酮能改变聚偏氟乙烯过滤膜的表面形貌，使得聚偏氟乙烯过滤膜的水接触角增大，加强聚偏氟乙烯过滤膜的疏水亲油性，从而提高了吸油性能，增强了油过滤效果；而且，通过采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，方法简单，成本较低，生产效率高。
其中，溶液喷射纺丝工艺是指利用高速气流对从喷丝孔挤出的溶液直接喷吹并进行拉伸，伴随着溶剂蒸发而固化为纤维的纺丝方法。溶液喷射纺丝工艺需要使用到溶液喷射纺丝设备，溶液喷射纺丝设备主要包括纺丝模头、接收器和气流喷射器，将纺丝溶液从纺丝的模头喷丝口挤压出，气流喷射器形成的压缩空气(即高压气流)对从喷丝口挤出的纺丝溶液进行喷吹和拉伸以形成纤维，纤维沉积在接收器上，得到纤维膜。
可以理解的是，丙酮与预设溶剂的挥发性不同，丙酮属于易挥发溶剂，当采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝时，挥发性不同的丙酮与预设溶剂相分离导致微孔出现，因此混合溶剂中的丙酮质量分数会影响最终形成的聚偏氟乙烯过滤膜的滤孔结构，该滤孔结构包括滤孔尺寸、滤孔形状和滤孔数量，而不同尺寸、形状和数量的滤孔会影响到聚偏氟乙烯过滤膜的油过滤效果。可选的，混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％，优选为5％～14％。通过设置丙酮质量分数为3％～90％，可以得到具有吸油性能较好的滤孔结构的聚偏氟乙烯过滤膜，从而聚偏氟乙烯过滤膜的油过滤效果较佳。示例性的，在将预设溶剂与丙酮混合得到混合溶剂的步骤中，混合溶剂中的丙酮质量分数可以为3％、5.1％、7.4％、9.6％、11.8％、13.8％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％，具体可以根据实际需求进行选择。
可选的，在步骤S100中，预设溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(即DMF)、二甲基亚砜(即DMSO)、二甲基乙酰胺(即DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(即NMP)和磷酸三乙酯(即TEP)中的至少一种。也就是说，预设溶剂可以为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和磷酸三乙酯中的一种或多种混合形成，具体可以根据实际需求进行选择。
可以理解的是，不同的聚偏氟乙烯溶液的质量浓度，对应得到的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径不同，具体为聚偏氟乙烯溶液的质量浓度越大，则得到的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径越大。可选的，在步骤S200中，聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％，优选为22％～25％。经试验证明，通过设置聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％，可以得到具有吸油性能较好的聚偏氟乙烯过滤膜，从而聚偏氟乙烯过滤膜的油过滤效果较佳。示例性的，聚偏氟乙烯溶液的质量浓度可以为3％、10％、15％、22.3％、22.7％、23.1％、23.6％、24％、30％、35％或40％，具体可以根据实际需要的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径进行选择。
可选的，在步骤S200中，将聚偏氟乙烯溶解于混合溶剂中的步骤包括：将聚偏氟乙烯添加到混合溶剂中，在55℃～65℃的温度下搅拌至溶解。通过控制搅拌时的温度为55℃～65℃，聚偏氟乙烯可以更充分地溶解。示例性的，将聚偏氟乙烯添加到混合溶剂中后，可以在55℃、58℃、60℃、62℃或65℃的温度下搅拌至溶解，具体可以根据实际需求进行选择。
进一步的，在步骤S200中，将聚偏氟乙烯溶解于混合溶剂中的步骤包括：将聚偏氟乙烯添加到混合溶剂中，在60℃的温度下以60rpm～1000rpm的转速搅拌0.1h～12h。具体的，可以根据实际需求选择搅拌时的转速和搅拌持续时间，可以理解的是，如果选择较高的转速，则可以相应地缩短搅拌持续时间；如果选择较低的转速，则需要相应地增加搅拌持续时间。
具体的，将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜的步骤(即步骤S300)包括：将聚偏氟乙烯溶液通过纺丝模头的喷丝口挤压出，气流喷射器形成的压缩空气对从喷丝口挤出的聚偏氟乙烯溶液进行喷吹和拉伸以形成纤维，纤维沉积在接收器上，得到聚偏氟乙烯过滤膜。
在本申请的一些实施例中，纺丝时的接收距离为10cm～100cm。也就是说，将聚偏氟乙烯溶液进行溶液喷射纺丝时，溶液喷射纺丝设备的喷丝口到接收器之间的距离设置为10cm～100cm。可以理解的是，通过调整纺丝时的接收距离为10cm～100cm，以确保纺丝时溶剂能够挥发完全，避免接收距离太近导致溶剂挥发不完全，带有液滴而影响聚偏氟乙烯过滤膜的成型。示例性的，纺丝时的接收距离可以为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm，具体可以根据实际需求进行设置。
在本申请的一些实施例中，纺丝时的喷射速度为0.5mL/h～15mL/h。也就是说，将聚偏氟乙烯溶液进行溶液喷射纺丝时，溶液喷射纺丝设备的喷丝口的挤压速度为0.5mL/h～15mL/h。可以理解的是，纺丝时的喷射速度太小或太大都无法正常纺丝，通过调整纺丝时的喷射速度为0.5mL/h～15mL/h，可以保证将聚偏氟乙烯溶液正常纺丝以形成聚偏氟乙烯过滤膜。示例性的，纺丝时的喷射速度可以为0.5mL/h、2mL/h、5mL/h、8mL/h、10mL/h、12mL/h或15mL/h，具体可以根据实际需求进行设置。
在本申请的一些实施例中，纺丝时，压缩空气的气流速度为4m/s～60m/s。也就是说，将聚偏氟乙烯溶液进行溶液喷射纺丝时，溶液喷射纺丝设备的气流喷射器所形成的压缩空气的气流速度为4m/s～60m/s。可以理解的是，纺丝时压缩空气的气流速度太小或太大都无法正常纺丝，通过调整纺丝时的压缩空气的气流速度为4m/s～60m/s，可以保证将聚偏氟乙烯溶液正常纺丝以形成聚偏氟乙烯过滤膜。示例性的，纺丝时的压缩空气的气流速度可以为4m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s、45m/s、50m/s、55m/s或60m/s，具体可以根据实际需求进行设置。
本申请实施例还提供了一种聚偏氟乙烯过滤膜，该聚偏氟乙烯过滤膜采用如上任一实施例的制备方法制得。采用上述方法制得的聚偏氟乙烯过滤膜水接触角增大，从而提高了油过滤性能，增强了油水分离效果。经试验证明，采用本申请实施例提供的制备方法制备的聚偏氟乙烯过滤膜，除了能够分离普通的油水混合物(不相溶)，还能用于油水乳液混合物的分离，在油水分离、液体(即含油液体)过滤等领域具有广阔的应用前景。
本申请实施例还提供一种如上任一实施例的聚偏氟乙烯过滤膜在油水分离或液体过滤领域的应用，在油水分离和液体过滤领域中使用本申请实施例提供的聚偏氟乙烯过滤膜，油过滤效果好。
以下为具体实施例部分：
实施例1
一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法包括以下步骤：
S101、将7.5gDMF与0.4g丙酮均匀混合，得到混合溶剂；
S102、将2.5g聚偏氟乙烯加入混合溶剂中，在60℃的温度下以800rpm的转速搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液：
S103、将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜；纺丝时，喷丝口到接收器之间的距离为20cm，压缩空气的气流速度为40m/s，喷丝口的挤出速度为5mL/h。
实施例2
一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法包括以下步骤：
S201、将7.5gDMF与0.6g丙酮均匀混合，得到混合溶剂；
S202、将2.5g聚偏氟乙烯加入混合溶剂中，在60℃的温度下以800rpm的转速搅拌1h，得到聚偏氟乙烯溶液：
S203、将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜；纺丝时，喷丝口到接收器之间的距离为20cm，压缩空气的气流速度为40m/s，喷丝口的挤出速度为5mL/h。
实施例3
一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法包括以下步骤：
S301、将7.5gDMF与0.8g丙酮均匀混合，得到混合溶剂；
S302、将2.5g聚偏氟乙烯加入混合溶剂中，在65℃的温度下以800rpm的转速搅拌50min，得到聚偏氟乙烯溶液：
S303、将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜；纺丝时，喷丝口到接收器之间的距离为20cm，压缩空气的气流速度为40m/s，喷丝口的挤出速度为5mL/h。
实施例4
一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法包括以下步骤：
S401、将7.5gDMF与1.0g丙酮均匀混合，得到混合溶剂；
S402、将2.5g聚偏氟乙烯加入混合溶剂中，在60℃的温度下以850rpm的转速搅拌50min，得到聚偏氟乙烯溶液：
S403、将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜；纺丝时，喷丝口到接收器之间的距离为20cm，压缩空气的气流速度为40m/s，喷丝口的挤出速度为5mL/h。
实施例5
一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法包括以下步骤：
S501、将7.5g DMF与1.2g丙酮均匀混合，得到混合溶剂；
S502、将2.5g聚偏氟乙烯加入混合溶剂中，在60℃的温度下以850rpm的转速搅拌50min，得到聚偏氟乙烯溶液；
S503、将聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜；纺丝时，喷丝口到接收器之间的距离为30cm，压缩空气的气流速度为45m/s，喷丝口的挤出速度为5mL/h。
下面使用KRUSS公司生产的DSA30-接触角测量仪，对实施例1～实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜进行水接触角测量，测量结果如图2所示。采用SEM(扫描电子显微镜)对实施例2所制得的聚偏氟乙烯过滤膜进行扫描，扫描得到的SEM图如图3所示。使用Image-ProPlus图像分析软件测量实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径，并对测得的纤维直径数据采用origin软件作图，得到如图4所示的纤维直径分布图。
如图2所示，图2为实施例1～实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜的水接触角性能图。其中，将实施例1～实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜分别标记为ACE-1、ACE-2、ACE-3、ACE-4和ACE-5。从图2可以看出，实施例1制得的聚偏氟乙烯过滤膜ACE-1的水接触角为120.9°，实施例2制得的聚偏氟乙烯过滤膜ACE-2的水接触角为139.7°，实施例3制得的聚偏氟乙烯过滤膜ACE-3的水接触角为131.8°，实施例4制得的聚偏氟乙烯过滤膜ACE-4的水接触角为135.1°，实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜ACE-5的水接触角为134.1°，表明实施例1～实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜均具有良好的疏水亲油性能。
如图3所示，图3为实施例2制得的聚偏氟乙烯过滤膜的SEM图，图3显示了实施例2所制得的聚偏氟乙烯过滤膜的孔状结构。
如图4所示，图4为实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径分布图。从图4可以看出，实施例5制得的聚偏氟乙烯过滤膜的纤维直径主要分布在300nm左右，最大纤维直径不超过800nm，表明聚偏氟乙烯过滤膜具有较细的纤维直径，较细的纤维直径使得聚偏氟乙烯过滤膜的过滤效率提高。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本申请实施例所提供的聚偏氟乙烯过滤膜及其制备方法和应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将丙酮与能溶解聚偏氟乙烯的预设溶剂混合，得到混合溶剂，所述混合溶剂中的丙酮质量分数为3％～90％；
将聚偏氟乙烯溶解于所述混合溶剂中，得到聚偏氟乙烯溶液，所述聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为3％～40％；
将所述聚偏氟乙烯溶液采用溶液喷射纺丝工艺进行纺丝，得到聚偏氟乙烯过滤膜。
2.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，所述混合溶剂中的丙酮质量分数为5％～14％；和/或所述聚偏氟乙烯溶液的质量浓度为22％～25％。
3.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，所述将聚偏氟乙烯溶解于所述混合溶剂中的步骤包括：将聚偏氟乙烯添加到所述混合溶剂中，在55℃～65℃的温度下搅拌至溶解。
4.根据权利要求3所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，所述将聚偏氟乙烯溶解于所述混合溶剂中的步骤包括：将聚偏氟乙烯添加到所述混合溶剂中，在55℃～65℃的温度下以60rpm～1000rpm的转速搅拌0.1h～12h。
5.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，所述预设溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和磷酸三乙酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，纺丝时的接收距离为10cm～100cm。
7.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，纺丝时的喷射速度为0.5mL/h～15mL/h。
8.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯过滤膜的制备方法，其特征在于，纺丝时，压缩空气的气流速度为4m/s～60m/s。
9.一种聚偏氟乙烯过滤膜，其特征在于，所述聚偏氟乙烯过滤膜采用权利要求1～8任一项所述的制备方法制得。
10.如权利要求9所述的聚偏氟乙烯过滤膜在油水分离或液体过滤领域的应用。
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