PVP含量对聚偏氟乙烯制备的编织管增强型中空纤维膜结构与性能的影响
发布时间:2019年9月23日 点击数:3397
0 前言
聚偏氟乙烯 (PVDF) 材料具有优良的化学稳定性、耐辐射性和抗污染性, 已作为一种主要的微滤和超滤的膜材料应用于城市污水、工业废水及海水淡化的前处理等领域[1,2,3,4,5]。目前, 制备PVDF中空纤维膜的方法主要有二种, 分别为液致相分离法 (NIPS) 和热致相分离法 (TIPS) [6,7]。NIPS法制备PVDF中空纤维膜, 因对设备要求简单, 成本低廉, 而成为工业化生产的主要方法。但采用NIPS法制备的膜丝由于其强度较低, 往往通过添加纤维丝或涂覆编织管等补强的方式[1,2]制备复合PVDF膜, 通过复合的PVDF膜单根膜丝可承受拉力明显高于传统PVDF膜[8], 主要应用于MBR的污水处理中。而PVDF编织管增强型中空纤维膜的研究主要集中在提高纯水通量和剥离强度上, 影响上述性能的主要因素是配方和工艺参数。本文将研究成孔剂聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 含量对PVDF编织管增强型中空纤维膜结构与性能的影响。
1 实验部分
1.1 实验原料
PVDF树脂 (Sinodur2220, 重均分子量650000, 浙江蓝天环保氟材料有限公司) , N, N-二甲基乙酰胺 (DMAC, AR, 成都市科龙化工试剂厂) , 聚乙烯吡咯烷酮-K30 (PVP-K30, AR, 上海德祥医药技术有限公司) 。
1.2 铸膜液的制备
铸膜液的制备过程如下:先称取定量的PVDF树脂和不同质量分数的添加剂 (PVP-K30) 溶于DMAC溶剂中, 并将其置于90℃的烘箱中加热16 h, 之后充分搅拌使其溶解均匀, 然后继续在90℃的烘箱中加热、脱泡, 直至呈均相透明的溶液, 以备后用。铸膜液的旋转粘度采用型号为 (NDJ-8SN) 的旋转粘度计测定。铸膜液配方和旋转粘度见表1。
1.3 PVDF编织管增强膜的制备
以非溶剂致相分离法 (NIPS) 工艺为基础, 即将上述的铸膜液通过计量泵注入特殊的纺丝喷头, 编织管从另一通道进入纺丝喷头, 铸膜液在纺丝喷头中均匀涂抹于编织管外表面, 之后一起进入凝固液槽, 经牵引绕于绕丝轮上, 制备的编织管增强膜先在水洗槽中水浴浸泡24 h, 最终制成编织管增强膜。其中, 铸膜液温度为90℃, 凝固槽温度为40℃, 水洗槽温度为40℃。
1.4 膜性能测试与表征
1.4.1 PVDF编织管增强膜的剥离强度性能测试
采用内压方式, 以去离子水为介质, 用隔膜泵构成具有压力的循环水路, 将PVDF编织管增强型中空纤维膜制成密封组件, 并接入上述循环水路中, 然后缓慢提高循环水压力, 直至PVDF膜层与编织管发生剥离并破裂, 此时压强即为其剥离强度。循环水温度为30℃。
1.4.2 纯水通量测定
在自制超微滤膜评价装置上, 以去离子水为原水做通量测试, 首先膜组件在30℃、0.15 MPa下预压30 min, 然后在0.10 MPa下运行20 min, 称其出水的质量, 最后纯水通量按下式计算:
式中:V为透过体积, L;S为膜的有效使用面积,
m2;t为工作时间, h。
1.4.3 PVDF中空纤维膜的表面形貌测试
PVDF中空纤维膜先用液氮淬断, 然后表面喷金, 最后采用扫描电子显微镜 (SEM) 观察膜的表面形貌。
2 结果与讨论
2.1 PVP不同质量分数对PVDF编织管增强型中空纤维膜性能的影响
由表2数据可知, 当PVP质量分数为2.5%时, PVDF编织管增强型中空纤维膜纯水通量和剥离强度最低, 随着PVP质量分数不断提高至10.0%时, 膜丝纯水通量和剥离强度呈现递增趋势, 特别是PVP质量分数为10%时, 膜丝纯水通量和剥离强度性能最优。之后, 随着PVP质量分数不断提高, 膜丝纯水通量逐渐降低, 剥离强度也没有出现提高的趋势。因此当PVP质量分数为10.0%时, 制备的PVDF编织管增强型中空纤维膜性能最优。
2.2 结论分析
通过对表1和表2数据的分析, 当PVP质量分数为2.5%时, 铸膜液粘度最低, 随着PVP质量分数的不断提高, 铸膜液粘度也随之升高, 当PVP质量分数为15.0%时, 铸膜液粘度最大。故分析认为, 当PVP质量分数为2.5%时, 由于粘度较低, PVDF铸膜液不易附着于编织管之上, 且膜丝内部微孔较少, 因此剥离强度和纯水通量均较低;随着PVP质量分数提高且达到10.0%时, 铸膜液能很好地附着于编织管之上, 且膜丝内部微孔最多, 因此剥离强度和纯水通量均最好;而当PVP含量过高时, 体系的纯水通量已经达到饱和, 过多的PVP添加起到了阻碍作用, 导致纯水通量降低。
由图1的SEM可知, 当PVP质量分数为5.0%时, 膜层与编织管的粘合并不密实, 且膜层内部微孔较少, 因此剥离强度和纯水通量较低;当PVP质量分数为10.0%时, 膜层与编织管的粘合密实, 且膜层内部微孔较多, 因此剥离强度和纯水通量较高;当PVP质量分数为15.0%时, 膜层与编织管的粘合密实, 但膜层内部微孔比PVP质量分数为10.0%的膜层内孔要少一些, 因此纯水通量降低。
3 结论
制备PVDF编织管增强型中空纤维膜时, PVP质量分数过高或过低都不利于膜丝性能, 当PVP质量分数为10.0%时, 所得的膜丝的剥离强度和纯水通量性能最佳。
图1 PVP质量分数变化对PVDF编织管增强型中空纤维膜形貌影响的SEM照片
