[发明专利]纳米材料掺杂聚合物膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物膜的制备方法。

背景技术

水污染与水资源短缺成为21世纪环境领域日益突显和急迫解决的重大课题。因其分离效率高、能耗低、占地面积小、自动化程度高、无需物化添加剂等优势，膜技术逐渐成为水处理领域的优选技术之一。现今广泛应用的膜材料多属聚合物基体，包括聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜等工程塑料，但其自身的强疏水性导致水体中蛋白质、碳水化合物、天然有机物、多聚糖类有机物等污染物易于在膜表面的沉积、吸附、堵塞，从而形成膜污染。以减少膜污染为目标，表面化学改性、表面接枝、表面等离子体改性、共混改性等物理化学技术成为聚合物膜亲水化改性的必要手段。其中，无机纳米材料共混改性成为国内外学术界与工程界研究的热点之一。涉及的无机纳米材料包括零维型(二氧化钛、二氧化硅、二氧化锆、三氧化二铝、四氧化三铁、沸石)、一维型(碳纳米管、钛纳米管、钛纳米线)及二维型(蒙脱土、累托土)三大类。本课题组及国内外的研究成果表明，纳米材料-聚合物复合膜主要有以下特点：(1)纳米材料能够有效改善聚合物膜的断面孔隙结构，有效提高复合膜水渗透性能及分离效率；(2)纳米材料能够有效改善聚合物膜表面电位、物化特性、微观形貌，降低水体中污染物与膜表面的界面行为，减轻膜污染；(3)纳米材料能够有效改善聚合物膜的力学行为，增强复合膜的抗压密特性，从而延长工程应用中的运行周期；

但是由于纳米材料易团聚，使现有的方法制备的纳米材料掺杂聚合物膜中纳米材料分散不均匀，易脱落，且需要额外致孔剂。

发明内容

本发明是要解决现有的方法制备的纳米材料掺杂聚合物膜中纳米材料分散不均匀，易脱落，且需要额外致孔剂的技术问题，而提供纳米材料掺杂聚合物膜的制备方法。

本发明的纳米材料掺杂聚合物膜的制备方法按以下步骤进行：

一、按质量百分比称取0.1％～20％的亲水有机化纳米材料、5％～30％的聚合物、50％～94.9％的有机溶剂；

二、将步骤一称取的亲水有机化纳米材料加入到有机溶剂中超声分散，其中超声分散的功率为50w～1000w，超声分散时间为0.1h～10h，得到纳米材料悬浮液；

三、将步骤一称取的聚合物加入到步骤二得到的纳米材料悬浮液中，密封后，加热至25℃～80℃并搅拌1h～48h，然后再静置脱泡2h～48h，得到铸膜液；

四、将步骤三制备的铸膜液在平板上流延成液膜后浸入凝固浴中进行溶剂与非溶剂交换，实现相转化过程，当得到的凝固膜从平板上脱落后，将其浸泡在去离子水中3～4天，得到纳米材料掺杂聚合物膜；

其中步骤一中的亲水有机化纳米材料的制备方法按以下步骤进行：

a、按纳米材料的质量百分比浓度为0.5％～10％将纳米材料分散于水中，磁力搅拌1h～72h，得到悬浮液；

b、按质量百分比称取0.5％～15％硅烷偶联剂、10％～50％乙酸和20％～60％超纯水并混合均匀，得到硅烷偶联剂酸性溶液；其中硅烷偶联剂为氨基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基氨基丙基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或其中两种按任意比混合；

c、按硅烷偶联剂酸性溶液与悬浮液的体积比为(0.1～10)∶1，称取步骤b制备的硅烷偶联剂酸性溶液与步骤a制备的悬浮液，然后将硅烷偶联剂酸性溶液逐滴滴入到悬浮液中，置于25℃～180℃油浴中搅拌0.1h～12h，将得到的粘稠产物经真空过滤、洗涤、干燥后得到包覆硅烷偶联剂的纳米材料；

d、按包覆硅烷偶联剂的纳米材料的质量百分比浓度为0.5％～10％，将步骤c得到的包覆硅烷偶联剂的纳米材料分散于质量百分比浓度为10％～80％的乙烯基吡咯烷酮水溶液中，然后置于25℃～180℃油浴中，通入氮气保护，再加入引发剂，反应0.1h～12h，将反应产物经真空过滤出来后，经乙醇清洗、纯水清洗、真空干燥，得到亲水有机化纳米材料；其中步骤d中所述的引发剂为双氧水、偶氮二异丁腈、氨水中的一种或两种按任意比混合，引发剂的质量为乙烯基吡咯烷酮质量的0.5％～10％。

步骤一中的亲水有机化纳米材料的制备方法还可以按以下步骤进行：将纳米材料分散于质量百分比浓度为1％～20％的表面活性剂水溶液中，其中纳米材料的质量百分比浓度为2％～10％，磁力搅拌2h～48h，然后经真空过滤、洗涤、真空干燥得到亲水有机化纳米材料；其中的表面活性剂为C₅～C₁₈季铵盐型的阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或非离子型表面活性剂；其中的非离子型表面活性剂为Triton X，Tween 20～80或Span 20～80。