CN115403762B - 亲水改性剂及其增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种亲水改性剂及其增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,该亲水改性剂的结构中具有多元醇的醚键以及经过离子化处理后的羧基,从而可提供优异的亲水功能;并且离子化的羧基还能够与表面活性剂进行结合,对聚四氟乙烯膜纤维进行吸附,从而能够有效的增强聚四氟乙烯膜的亲水性和抗污染性。通过该亲水改性剂和表面活性剂配合紫外交联对聚四氟乙烯膜进行亲水性增强,工艺简单,对聚四氟乙烯膜没有损害,并且紫外固化可控,能够大大缩短改性时间。通过该方法获得的亲水改性聚四氟乙烯膜,能够在污水处理、医疗用品等方面推广应用。

Description

亲水改性剂及其增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法
技术领域
本发明属于分离膜改性技术领域,特别涉及一种亲水改性剂,还涉及该亲水改性剂增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法。
背景技术
聚四氟乙烯(PTFE)膜具有优良的耐受性、化学惰性强、机械强度高和良好的耐酸碱性,即使在苛刻的环境里,如有机溶剂或者强酸强碱溶液里,PTFE膜仍然有较好的分离性能和稳定性。但PTFE膜的表面能较低,这导致润湿性极差且很难对其进行表面改性,这使得PTFE膜表面的疏水性一方面限制了其在水处理领域的应用,另一方面当疏水膜表面被应用在水分离系统时,膜表面极容易被污染物污染。而膜污染问题会引起膜性能衰减、分离阻力增大和寿命降低,加重膜材料的损耗,在一定程度上限制其广泛应用。因此通过对聚四氟乙烯膜进行亲水改性提高膜表面的润湿性和抗污染性能是解决上述问题的重要方式之一。
目前针对聚四氟乙烯膜常见的改性方法有钠-萘溶液置换法、等离子体处理、亲水包覆交联等。其中,钠-萘溶液置换法和等离子体处理对PTFE膜本身有损害,故使用较少。因此,利用亲水改性剂对PTFE膜进行包覆,使其表面负载亲水物质,以达到亲水效果被广泛应用。
比如公开号为CN113304617A的中国专利申请中公开了一种有机微孔膜的亲水改性的制备方法,将有机膜浸泡于充分混合均匀的亲水改性溶液中,静置一定时间让其发生反应,取出充分静置反应好的有机膜材料,并使用轻辊脱去沥水,除掉有机膜材料中的水分,紫外照射,再清洗掉有机膜材料表面未反应的混合溶液,最后烘干有机膜,实现有机微孔膜的永久亲水改性,但该改性方法步骤较为繁琐,不利于工业化生产。又如公开号为CN106632922A的中国专利申请对疏水的聚偏氟乙烯微滤膜进行亲水改性,其通过将聚偏氟乙烯微滤膜在改性溶液中浸泡后,将浸泡后的膜在紫外交联固定其结构,实现对PVDF微滤膜的亲水改性,其采用的改性溶液中含有亲水链段的嵌段聚合物,其具有特定的结构单元,从而赋予PVDF微滤膜良好的亲水性能和抗污染性能,但该工艺流程耗时长,适用单体少,分子设计范围有限,且价格昂贵,难以工业化;此外在亲水改性剂的结构方面,其缺少与疏水膜结合性高的元素,亲水改性剂易在疏水膜上进行团聚,进而影响亲水性。
发明内容
有鉴于此,本发明有必要提供一种亲水改性剂,该亲水改性剂结构中具有多元醇中的醚键和经过离子化处理后的羧基,从而可提供优异的亲水功能;并且离子化的羧基还能够与表面活性剂进行结合,对聚四氟乙烯膜纤维进行吸附,从而能够有效的增强聚四氟乙烯膜的亲水性和抗污染性。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种亲水改性剂,其具有如下结构式:
其中,n为正整数;
优选地,200≤n≤400。
进一步方案,其制备方法包括以下步骤:
将多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯和2,2-二羟甲基丙酸进行一锅法反应后,加入含有不饱和键的封端剂进行封端,制得亲水改性剂。
进一步方案,所述多元醇选自PEG-200、PEG-1000、PEG-2000、PEG-4000、PEG-8000中的一种。
进一步方案,所述含有不饱和键的封端剂选自甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯中的一种。
本发明进一步提供了一种增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,包括以下步骤:
将如前所述的亲水改性剂、表面活性剂和光引发剂混合制成混合溶液;
将聚四氟乙烯膜在所述混合溶液中充分润湿后干燥,获得处理后的聚四氟乙烯膜;
将处理后的聚四氟乙烯膜进行紫外固化处理,制得亲水改性的聚四氟乙烯膜;
优选地,所述混合溶液中,各组分的含量为:亲水改性剂固含量为0.5wt%-2wt%,表面活性剂的固含量为1wt%,光引发剂的固含量为1wt%-5wt%。
进一步方案,所述表面活性剂为季铵盐阳离子氟碳表面活性剂。
进一步方案,所述光引发剂选自2-羟基-2甲基苯丙酮、安息香双加醚、1-羟基环己基苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的至少一种。
进一步方案,所述润湿的方式为超声或磁力搅拌;
优选地,所述超声的时间为10-30min;
优选地,所述磁力搅拌的时间为30-60min。
进一步方案,所述干燥的方式为常压干燥或真空干燥;
优选地,所述常压干燥为50-70℃下干燥30min-60min;
优选地,所述真空干燥为80-100℃下干燥10min-30min。
进一步方案,所述紫外固化的参数具体为:紫外灯距样品15cm,紫外灯波长365nm,能量为1kW,紫外固化时间为2-5min。
本发明的有益效果如下:
本发明中提供的亲水改性剂可根据需求不同,可以调节亲水性的强弱,拓宽应用范围;
在增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法中,利用表面活性剂和亲水改性剂之间阴阳离子结合,以及表面活性剂中疏水基团吸附在聚四氟乙烯膜上,使得亲水改性剂能够均匀吸附在膜表面;后续采用紫外固化引发自由基聚合,使得吸附的亲水改性剂均匀包覆在PTFE纤维上,从而有效的提高聚四氟乙烯膜的亲水性和抗污染性。
此外,该方法工艺简单,对聚四氟乙烯膜没有损害,并且紫外固化可控,能够大大缩短改性时间。
通过该方法获得的亲水改性聚四氟乙烯膜,能够在污水处理、医疗用品等方面推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中制得的亲水改性剂的红外光谱图;
图2为本发明实施例1中聚四氟乙烯膜亲水改性后表面水接触角测试结果;
图3为本发明实施例2中聚四氟乙烯膜亲水改性后表面水接触角测试结果;
图4为本发明实施例3中聚四氟乙烯膜亲水改性后表面水接触角测试结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。
本发明的一个典型的实施例中公开了一种亲水改性剂,该亲水改性剂具有如下的结构式:
其中,n为正整数;优选地,200≤n≤400。
本文中提供的亲水改性剂其结构含有多元醇中的醚键和离子化处理后的羧基,其中,醚键提供主要的亲水作用;而经过离子化的羧基,一方面可提供亲水性,另一方面可以与表面活性剂进行结合,从而对聚四氟乙烯膜纤维的吸附。
本文中所述的亲水改性剂的制备可采用类似于聚氨酯的制备,在本发明的一个典型的实施例中,所述的亲水改性剂的制备包括以下步骤:将多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯和2,2-二羟甲基丙酸进行一锅法反应后,加入含有不饱和键的封端剂进行封端,制得亲水改性剂。在本发明一些典型的实施例中,具体的一锅法制备工艺为:在120℃下,对多元醇抽真空除去多余水分3-4h;待温度降到40-50℃时,将其转移至油浴锅中,进行机械搅拌,并同时加入异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和2,2-二羟甲基丙酸(DMPA),升温至80℃反应3-4h,期间调节体系粘度,调粘可采用本领域中常规的如丙酮、丁酮、N,N-二甲基甲酰胺中的其中一种;反应4h后降温至40-50℃,再加入含有不饱和键的封端剂进行封端,在80℃下反应2-3h;反应结束后,获得产物,用丙酮配制获得固含量为30%的亲水改性剂。可以理解的是,亲水改性剂具体的固含量可根据实际情况或应用进行调整,没有特别的限定。
其中,本文中所述的多元醇优选为聚乙二醇,根据其分子量的不同,采用的聚乙二醇可以为PEG-200、PEG-1000、PEG-2000、PEG-4000、PEG-8000中的一种。通过采用不同的分子量的聚乙二醇,能够对亲水改性剂进行性能进行调整,从而调节亲水改性剂的亲水改性效果。
本文中加入封端剂的作用是为了后续进行紫外固化,一般来说,紫外线(UV)固化是利用光引发剂(光敏剂)的感光性、在紫外线光照射下光引发形成激发生态分子,分解成自由基或是离子,使不饱和有机物进行聚合、接技、交联等化学反应达到固化的目的。因此,本文中采用的封端剂含有不饱和键,具体可提及的实例包括但不限于甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯中的一种。
在本发明另一典型的实施例中提供了一种增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其主要包括以下步骤:
S100、配制含有前述亲水改性剂、表面活性剂和光引发剂的混合溶液
具体的说,所述的亲水改性剂为前述所述,这里不再具体阐述。
本文中所述的表面活性剂为季铵盐阳离子氟碳表面活性剂,其CAS号为84166-37-0,其作为一种全氟烷基醚类季铵盐阳离子类表面活性剂,具有憎水憎油的特性,其能够迅速在液体表面形成一层薄膜,提高液体的湿润性、流平性和分散均匀性。本领域中常规的表面活性剂一般由极性基团(亲水基)和非极性基团(疏水基)两部分组成,普通表面活性剂的非极性基团为碳氢链,而氟碳表面活性剂的非极性基团则为氟碳链,即以氟原子部分或全部取代碳氢链上的氢原子,因此,本发明利用疏水的氟碳链吸附在聚四氟乙烯膜上,从而暴露出阳离子以吸附带有阴离子的亲水改性剂。
本文中所述的光引发剂没有特别的限定,本领域中任意能够在紫外光作用下,引发交联固化反应的助剂均可,具体可提及的实例包括但不限于2-羟基-2甲基苯丙酮、安息香双加醚、1-羟基环己基苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的至少一种。
可以理解的是,具体的混合溶液中,各组分的组成可根据实际情况进行调整,根据本发明的实施例,各组分的含量为:亲水改性剂固含量为0.5%-2%,表面活性剂的固含量为1wt%,光引发剂的固含量为1wt%-5wt%。此外,可以理解的是,混合溶液的配制没有特别的限定,其溶剂的选择可根据需要进行调整,优选采用丙酮进行混合溶液的配制。
S200、处理聚四氟乙烯膜
将聚四氟乙烯膜在步骤S100制得的混合溶液中充分润湿后,干燥,从而获得处理后的聚四氟乙烯膜。
本发明中将聚四氟乙烯膜优先采用含有表面活性剂的溶液进行预处理,以表面活性剂为媒介,根据Traube规则,其疏水基团容易吸附在聚四氟乙烯膜的表面,使其均匀铺展在聚四氟乙烯膜上,从而帮助亲水改性剂吸附在疏水聚四氟乙烯膜纤维;同时,表面活性剂还可以利用自身暴露出来的亲水链段来提供亲水性。
其中,本文中所述的聚四氟乙烯膜的种类没有特别的限定,按照膜孔径的不同,其可以是聚四氟乙烯微滤膜、聚四氟乙烯超滤膜或者聚四氟乙烯纳滤膜;按照膜形态的不同,其可以是聚四氟乙烯平板膜、聚四氟乙烯中空纤维膜或者聚四氟乙烯管式膜。可以理解的是,可根据实际需要进行选择,故不再具体限定。
本文中所述的润湿方式没有特别的限定,使得聚四氟乙烯膜被混合溶液充分润湿即可,具体的说,可以将聚四氟乙烯膜完全浸入混合溶液中,采用超声或磁力搅拌的方式,使得聚四氟乙烯膜充分润湿,具体的参数可根据实际情况进行调整。在本发明的一些具体的实施例中,采用超声的方式进行润湿,其时间为10-30min;在本发明的另一些具体的实施例中,采用磁力搅拌的方式进行润湿,其时间为30-60min。
进一步的,对润湿后的聚四氟乙烯膜进行干燥,其干燥可采用本领域中的常规手段,可以进行常压干燥,也可以进行真空干燥,具体参数可根据实际情况进行调整,实现干燥的目的即可。在本发明的一些具体的实施例中,采用常压干燥的方式进行,可在55℃下干燥30min-60min;在本发明的另一些具体的实施例中,采用真空干燥的方式进行,可在80℃下干燥10min-30min。
S300、紫外固化处理后的聚四氟乙烯膜
将步骤S200中处理后的聚四氟乙烯膜进行紫外固化处理,从而引发自由基聚合,使得吸附的亲水改性剂均匀包覆在聚四氟乙烯膜上,具体的紫外固化条件可根据实际情况,如光引发剂的种类、含量,亲水改性剂的用量等进行调整,在本发明的一些具体的实施例中,所述紫外固化的参数具体为:紫外灯距样品15cm,紫外灯波长365nm,能量为1kW,紫外固化时间为2-5min。
下面通过具体实施例对本发明进行说明,需要说明的是,下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的,而不以任何方式限制本发明的范围,另外,如无特别说明,未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法,所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。
实施例1
称取10g聚乙二醇PEG-2000装入三颈烧瓶中,在120℃下,利用真空泵对其抽真空3h;待温度降到50℃时,将三颈烧瓶装上温度计、搅拌桨和冷凝管,转移到油浴锅中,进行机械搅拌,并同时加入4.45g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和1.34g 2,2-二羟甲基丙酸(DMPA),升温至80℃反应4h,期间用丙酮调节体系粘度;反应4h后降温至50℃,再加入1.3g甲基丙烯酸羟乙酯进行封端,在80℃下反应2h;反应结束后,倒出产物,用丙酮配制获得固含量为30%的亲水改性剂。
取0.3g季铵盐阳离子氟碳表面活性剂、1g(固含量为30%)的亲水改性剂和0.3g光引发剂2-羟基-2甲基苯丙酮,以丙酮为溶剂,配制成30g、亲水改性剂固含量为1%的混合溶液;取PTFE膜充分浸泡在溶液中,超声反应15min后取出,在真空状态80℃下干燥15min;随后放在紫外固化箱中,距紫外灯15cm,紫外灯波长365nm,能量1kW下,固化2min,制备得到亲水改性的聚四氟乙烯膜。
其中,图1示出了实施例1制得亲水改性剂的红外光谱图。其中,在1725cm-1处和1255cm-1处的峰分别代表C=O和C-O的伸缩振动峰,3486cm-1和1518cm-1处的峰可归因于氨基甲酸酯基中的N-H键的伸缩振动吸收峰和变形振动吸收峰,表明样品中均有-NH-COO-的存在;在1158cm-1处出现聚醚的强特征吸收峰,说明聚乙二醇成功引入分子链中;1025cm-1出现的吸收峰为-COOH的特征吸收峰,说明DMPA分别参与了反应,分子链段中引入了-COOH。在1354cm–1处=CH2和=CH中-C-H键的摇摆振动和810cm–1处碳碳双键的特征吸收峰说明HEMA已成功接入体系中。
图2示出了实施例1中亲水改性的聚四氟乙烯膜的表面水接触角,为13.8°。
实施例2
称取2g聚乙二醇PEG-200装入三颈烧瓶中,在120℃下,利用真空泵对其抽真空1.5h;待温度降到50℃时,将三颈烧瓶装上温度计、搅拌桨和冷凝管,转移到油浴锅中,进行机械搅拌,并同时加入8.89g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和2.68g 2,2-二羟甲基丙酸(DMPA),升温至80℃反应4h,期间用丙酮调节体系粘度;反应4h后降温至50℃,再加入2.6g甲基丙烯酸羟乙酯进行封端,在80℃下反应2h;反应结束后,倒出产物,用丙酮配制获得固含量为30%的亲水改性剂。
取0.3g季铵盐阳离子氟碳表面活性剂、0.5g(固含量为30%)的亲水改性剂和0.6g光引发剂2-羟基-2甲基苯丙酮,以丙酮为溶剂,配制成30g、亲水改性剂固含量为0.5%的混合溶液;取PTFE膜充分浸泡在溶液中,利用磁力搅拌反应60min后取出,在真空状态80℃下干燥15min;随后放在紫外固化箱中,距紫外灯15cm,紫外灯波长365nm,能量1kW下,固化3min,制得亲水改性的聚四氟乙烯膜。
图3示出了实施例2中亲水改性的聚四氟乙烯膜的表面水接触角,为21.5°。
实施例3
称取16g聚乙二醇PEG-8000装入三颈烧瓶中,在120℃下,利用真空泵对其抽真空4h;待温度降到50℃时,将三颈烧瓶装上温度计、搅拌桨和冷凝管,转移到油浴锅中,进行机械搅拌,并同时加入1.78g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和0.54g 2,2-二羟甲基丙酸(DMPA),升温至80℃反应4h,期间用丙酮调节体系粘度;反应4h后降温至50℃,再加入0.52g甲基丙烯酸羟乙酯进行封端,在80℃下反应2h;反应结束后,倒出产物,用丙酮配制获得固含量为30%的亲水改性剂。
取0.3g季铵盐阳离子氟碳表面活性剂、2g(固含量为30%)的亲水改性剂和0.9g光引发剂1-羟基环己基苯甲酮,以丙酮为溶剂,配制成30g、亲水改性剂固含量为2%的混合溶液;取PTFE膜充分浸泡在溶液中,利用磁力搅拌反应60min后取出,在常压状态55℃下干燥30min;随后放在紫外固化箱中,距紫外灯15cm,紫外灯波长365nm,能量1kW下,固化5min,制备得到亲水改性的聚四氟乙烯膜。
图4示出了实施例3中亲水改性的聚四氟乙烯膜表面水接触角,为21.6°。
对比例1
本对比例采用同实施例1相同的实施方式,不同之处在于:取1g(固含量为30%)的亲水改性剂和0.3g光引发剂2-羟基-2甲基苯丙酮,以丙酮为溶剂,配制成亲水改性剂固含量为1%的混合溶液,即混合溶液中不添加表面活性剂。其他步骤和工艺参数均与实施例1相同,制备得到亲水改性的聚四氟乙烯膜。
对比例2
本对比例采用同实施例1相同的实施方式,不同之处在于:亲水改性剂采用公开号为CN106632922A的中国专利申请实施例1中制得的亲水嵌段聚合物。其他步骤和工艺参数均与实施例1相同,制备得到亲水改性的聚四氟乙烯膜。
对实施例1-3和对比例1-2中的亲水改性的聚四氟乙烯膜进行水通量测试,结果见表1。
表1亲水改性的聚四氟乙烯膜的水通量测试结果
从表1中的测试结果可以看出,亲水改性后的聚四氟乙烯膜具有优异的水通量,且能够根据聚乙二醇的分子量不同,一般来说,分子量越高,聚乙二醇的亲水性会更好,聚乙二醇的亲水性取决于自身的醚键。但是亲水性越高,会影响对PTFE纤维的亲和力,因此,可以根据使用要求等的不同,调整分子量的使用,从而对聚四氟乙烯膜的亲水性进行调整,由此实现聚四氟乙烯膜亲水性的定制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,包括以下步骤:
将亲水改性剂、表面活性剂和光引发剂混合制成混合溶液,所述混合溶液中,各组分的含量为:亲水改性剂固含量为0.5wt%-2wt%,表面活性剂的固含量为1wt%,光引发剂的固含量为1wt%-5wt%;
将聚四氟乙烯膜在所述混合溶液中充分润湿后干燥,获得处理后的聚四氟乙烯膜;
将处理后的聚四氟乙烯膜进行紫外固化处理,制得亲水改性的聚四氟乙烯膜;
其中,所述亲水改性剂的制备工艺为:在120℃下,对多元醇抽真空除去多余水分3-4h;待温度降到40-50℃时,将其转移至油浴锅中,进行机械搅拌,并同时加入异佛尔酮二异氰酸酯和2,2-二羟甲基丙酸,升温至80℃反应3-4h,期间调节体系粘度,调粘采用丙酮、丁酮、N,N-二甲基甲酰胺中的一种;反应4h后降温至40-50℃,再加入含有不饱和键的封端剂进行封端,在80℃下反应2-3h;反应结束后,获得产物;所述多元醇选自PEG-200、PEG-1000、PEG-2000、PEG-4000、PEG-8000中的一种;所述含有不饱和键的封端剂选自甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯中的一种;
所述表面活性剂为季铵盐阳离子氟碳表面活性剂。
2. 如权利要求1所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述光引发剂选自2-羟基-2甲基苯丙酮、1-羟基环己基苯甲酮、2, 4, 6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的至少一种。
3.如权利要求1所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述润湿的方式为超声或磁力搅拌。
4.如权利要求3所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述超声的时间为10-30min。
5.如权利要求3所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述磁力搅拌的时间为30-60min。
6.如权利要求1所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述干燥的方式为常压干燥或真空干燥。
7.如权利要求6所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述常压干燥为50-70℃下干燥30min-60min。
8.如权利要求6所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述真空干燥为80-100℃下干燥10min-30min。
9.如权利要求1所述的增强聚四氟乙烯膜亲水性的方法,其特征在于,所述紫外固化的参数具体为:紫外灯距样品15cm,紫外灯波长365nm,能量为1kW,紫外固化时间为2-5min。
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