[发明专利]一种碳纳米管增强增韧PSF中空纤维膜及其制备方法有效

专利信息
申请号: 201510545741.2 申请日: 2015-08-28
公开(公告)号: CN105056775B 公开(公告)日: 2018-01-12
发明(设计)人: 周秀杰;杨继新;张悦涛 申请(专利权)人: 天津华清健坤膜科技有限公司
主分类号: B01D71/68 分类号: B01D71/68;B01D69/08;B01D67/00
代理公司: 天津滨海科纬知识产权代理有限公司12211 代理人: 刘莹
地址: 300350 *** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 一种 纳米 增强 psf 中空 纤维 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于中空纤维膜技术领域,尤其是涉及一种碳纳米管增强增韧PSF中空纤维膜及其制备方法。

背景技术

聚砜类材料是应用得很多的一类膜材料,由于其良好的化学稳定性、耐水性、耐热性、尺寸稳定性,以及较好的成膜性和机械强度,在微滤、反渗透、超滤、电渗析、气体分离、生物工程、医疗等方面得到了广泛的应用。聚砜类树脂是一类在主链上含有砜基和芳环的高分子化合物,主要有双酚A型聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚苯硫醚砜等。从结构上可以看出,砜基的两边都有苯环形成共轭体系,由于硫原子处于最高氧化状态,加之砜基两边高度共轭,所以这类树脂具有优良的抗氧化性、热稳定性和高温熔融稳定性。

目前,聚砜膜常用的制备方法是浸没沉淀相转化法(NIPS)。该法是先将由聚砜、溶剂、非溶剂性添加剂在一定温度下形成的均相铸膜液流延到支撑材料或通过喷丝头挤出形成初生态膜,然后将其迅速浸入非溶剂凝固浴中,通过初生态膜内的溶剂和凝固浴中的非溶剂的相互交换,不断降低膜内溶剂的比例从而使体系发生相分离,最终凝胶固化成膜。

聚砜铸膜液发生相分离过程中主要涉及热力学和动力学,这两个因素最终决定聚砜膜的形态结构和性能。初生态膜内的溶剂和凝固浴中的非溶剂的相互交换过程即为动力学过程,它的快慢在很大程度上影响了膜孔结构:在没有其他添加剂的前提下,两者交换越快,越容易形成大的、通透的指状孔,反之,可能形成小而细的指状孔甚至海绵孔。从宏观性能上来说,孔的形态、大小,会影响膜的拉伸强度和断裂伸长率,即膜的强度和韧性。孔越疏松通透、孔径越大,膜的拉伸强度和断裂伸长率越小;相反,若膜孔细小、密实,甚至形成海绵结构,膜的拉伸强度和断裂伸长率越高,强度和韧性也就越好。

Kim、Chakrabarty、Ma等研究了添加剂聚乙二醇(PEG)对聚砜膜的性能影响。随着PEG摩尔质量和含量的增加,体系的黏度增加,非溶剂与溶剂之间的扩散系数降低,使得聚合物的沉降速率降低,膜结构中的指状孔受到抑制逐渐减少,膜孔数及孔隙率增加,产水量有所降低。Tsai等在聚砜铸膜液中添加了小分子司盘80,研究发现司盘80能抑制指状孔的生成,当其添加量逐渐增加到15%时,膜断面结构从大量指状孔逐渐变为海绵状孔,膜的渗透性能降低。同样,非离子表面活性剂吐温80由于能增加铸膜液的黏度,使得相分离时间延长,膜的孔径减小,渗透性能降低。由此可见,无论是大分子添加剂还是小分子表面活性剂的加入,虽然都能抑制大孔形成,但也降低了膜的渗透性能。

发明内容

有鉴于此,本发明旨在提出一种碳纳米管增强增韧PSF中空纤维膜以及制备方法,其中空纤维膜具有强度高、韧性佳,且渗透性能良好等优点。

为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:

一种碳纳米管增强增韧PSF中空纤维膜,包括如下重量份数的各组分,多壁碳纳米管5~20份、PSF 10~30份、溶剂60~85份、添加剂5~25份;所述PSF为聚砜。

以碳纳米管作为小分子添加剂,不但能抑制大孔形成,还能因自身的性质,极大的增强增韧聚砜膜,并且对膜的渗透性影响甚微。

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构的一维量子材料,在1991年1月由日本物理学家饭岛澄男发现。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20nm。

碳纳米管具有良好的力学性能,抗拉强度达到50~200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级;它的弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将PSF与碳纳米管制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。

优选的,所述溶剂为二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的一种或两种以上。

优选的,所述添加剂为聚乙二醇-400、聚乙二醇-800、聚乙烯吡咯烷酮PVP、乙醇、氯化锂、丙酮的一种或两种以上。

优选的,所述聚砜为双酚A型聚砜。

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