[发明专利]水通性聚合物薄膜

说明书

发明领域

本发明涉及一种具有改进的水通量以及稳定的孔径的聚合物薄膜组合物。水通量是通过使用与受控构造的两亲嵌段共聚物共混的一种母体聚合物来增加薄膜的亲水性而得以改进。优选的薄膜是具有一种氟聚合物母体以及丙烯酸类两亲嵌段共聚物的那些。当用于水的过滤时，在微滤和超滤薄膜中加入这些两亲嵌段共聚物是尤其有用的。

发明背景

对于在全球基础上供应淡水以满足不断扩展的人口的需求存在着一种日益增长的需要。人们积极地采用各种各样的薄膜技术来满足这一需要。微滤(MF)和超滤(UF)被用于净化地表水以便饮用、预处理咸水和海水用于反渗透、并且在排放到环境中之前处理废水(尤其是在膜生物反应器中)。

聚偏二氟乙烯(PVDF)对MF和UF薄膜是一种优选的聚合物材料，这是因为它的优异的耐化学性，尤其是对在水的净化中使用的氧化剂和卤素而言。PVDF还便于通过溶液流延(或熔体流延)而处理成多孔薄膜。虽然PVDF在微滤(标称孔径＞0.2um)中得到了很好的确认，但由于更低的水通量它在更小孔径的薄膜中具有困难。随着纯水的法规变得日益严格，转向了要求微滤薄膜在0.1um以下进行过滤，从而去除病毒颗粒。现在这处于超滤范围内。为了让PVDF在这种孔更小的状况下工作良好，将必须改进薄膜的水通量。

PVDF是一种非常疏水的聚合物，这增加了薄膜中对水通量的阻力。使PVDF薄膜更加亲水对于改进水通量是必要的。对于PVDF薄膜的后处理已经说明了许多方法。这些方法典型地涉及用一种亲水单体(例如丙烯酸或甲基丙烯酸羟基乙酯)处理一种多孔PVDF薄膜、随后进行聚合以造成一种亲水的表面处理。这些方法在US 4618533(发明人M.J.Steuck，10/21/86)、US 4855163(发明人I.B.Joffe、P.J.Degen、F.A.Baltusis，8/8/89)、以及R.Revanur et al Macromolecules 2007，40，3624-3620.中进行了说明。这些聚合在性质上典型地是化学地或通过辐射而引发的自由基聚合。

其他后处理方法包括将薄膜浸泡在亲水聚合物溶液中(例如羟乙基纤维素、聚乙二醇)以给予一个临时的亲水性涂层，如在US 4203848(发明人J.D.Grandine II，5/20/80)中所说明的。这种方法适合于单次使用、或者批处理应用，但是不能保持亲水性供长期使用。其他的处理涉及PVDF表面的化学蚀刻(通过碱处理或辐射)、进行或不进行后续的氧化处理，从而造成永久的亲水性。

这些后处理方法对薄膜的制作过程增加了复杂性和成本。它们要求分离的清洗和干燥步骤来去除所有的后处理化学物。这些处理还可能受限于表面官能度、同时留下内部孔隙是疏水的。可替代地，所加入单体的过度聚合可能导致孔堵塞或孔径减小。这将降低薄膜的通量。最后，辐射和表面接枝方法将物理地损伤PVDF聚合物骨架，从而降低机械特性。

此外，通过上面的方法难以对毛细管式中空纤维薄膜进行后处理，并且这些薄膜对物理损害甚至是更敏感的。然而因为出众的容积系统性能，毛细管式中空纤维薄膜对水处理系统是优选的选择。改进PVDF中空纤维薄膜的亲水性是仍待解决的一个主要技术挑战。

两亲嵌段共聚物是众所周知的。多数的两亲聚合物是可溶于水的二嵌段共聚物。这些二嵌段聚合物已经被用在大量的应用中，包括水溶液的增稠以及用来形成粘弹性凝胶，如在美国专利6,506,837、6,437,040和美国专利申请2003/0162896中说明的那些。

其他的两亲的三嵌段共聚物(在商业上作为Pluronics是已知的)也在文献中进行了很好的说明。这些三嵌段共聚物可以包含亲水性末端嵌段和一个疏水性中间嵌段，或者相反。该亲水嵌段区段被限于聚氧化乙烯(PEO)均聚物。包含亲水性末端嵌段的三嵌段物是可溶于水的。包含疏水性末端嵌段的三嵌段物将是不溶于水的。