針織物復(fù)合中空超濾膜的制備與研究

1、針織物復(fù)合中空超濾膜的制備與研究郭鑫基金來(lái)源：天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20100310)。作者簡(jiǎn)介：郭鑫(1988-)，男，職員，本科，主要從事紡織品檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)推廣工作。作者簡(jiǎn)介：李娜娜(1982-)，女，講師，博士，主要從事高分子功能膜的研究。通訊作者：李娜娜。email：。1 2，李娜娜1 3，宋廣禮1 3，牛路蘋1 3，胡晏平1 3，王鍵1 3(1 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300160)(2 廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)院，廣州 510220)(3 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津工業(yè)大學(xué)，天津 300160)摘 要 本文采用狹縫涂覆的方法，通過(guò)在管狀針織物表面涂覆聚偏氟乙烯鑄

2、膜液制備了具有滲透性能的針織物復(fù)合膜，并討論了針織物復(fù)合膜的水通量以及力學(xué)性能。結(jié)果顯示：實(shí)驗(yàn)室制備的針織物復(fù)合膜滲透性能良好，水通量穩(wěn)定在290L/m2.h。在力學(xué)性能測(cè)試中，復(fù)合了針織物的聚偏氟乙烯（PVDF）膜的力學(xué)性能顯著增加。本研究成果的創(chuàng)新性及意義在于：通過(guò)復(fù)合管狀針織物使得PVDF膜的力學(xué)性能改善，且復(fù)合膜滲透性能在商用上的表現(xiàn)已基本達(dá)到PVDF單膜水平。證明了管狀針織物作為PVDF膜支撐體的優(yōu)勢(shì)與可行性，為PVDF膜的廣泛應(yīng)用做出了基礎(chǔ)貢獻(xiàn)研究。關(guān)鍵詞：聚偏氟乙烯；針織物復(fù)合膜；涂覆；增強(qiáng)織物；力學(xué)性能1.針織物與膜復(fù)合研究膜簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是分隔開(kāi)兩種流體的一個(gè)薄的阻擋層。阻擋層阻止

3、了這兩種流體間的水力學(xué)流動(dòng)，因此，流體中的物質(zhì)通過(guò)膜的傳遞是借助于吸著作用及擴(kuò)散作用1。自從發(fā)現(xiàn)了膜可在污水處理中發(fā)揮良好效果，膜科學(xué)便成為研究熱點(diǎn)。在眾多的有機(jī)高分子膜材料中，由于PVDF耐高溫，韌性好，有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，有良好的生物惰性和成膜能力，因此PVDF膜受到了研究者的注意2。但聚合物膜的強(qiáng)力并不能達(dá)到很多領(lǐng)域的要求，結(jié)合針織物的優(yōu)勢(shì)，針織物與聚合物的復(fù)合膜也就應(yīng)運(yùn)而生。利用加入纖維的方式進(jìn)行高強(qiáng)度中空纖維膜的制備切實(shí)可行，同時(shí)加入纖維的方式增強(qiáng)纖維膜強(qiáng)力的效果明顯。同時(shí)在其中的滌綸纖維是主要的強(qiáng)度承擔(dān)者，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)使用強(qiáng)度要求的不同，劃分不同的強(qiáng)度(纖

4、維支數(shù)) 等級(jí)。在不同的等級(jí)內(nèi)進(jìn)行滲透性能的優(yōu)化，這樣可以達(dá)到滲透性能與強(qiáng)度性能的共同提高3。針織間隔織物能被用于膜支撐體。典型的間隔織物包含三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的層，兩個(gè)外層以及它們之間的中空層。中空層是被大量單絲紗線連接兩個(gè)外層而形成的?？椢锿鈱颖挥糜谀さ母街?。它們之間的中空膜用于過(guò)濾排水。這個(gè)叫做IPC膜的概念也就是具有完整滲透渠道的包圍膜。通過(guò)狹縫涂覆技術(shù)涂鑄膜液于間隔織物的所有層上形成膜層。第一個(gè)IPC膜式用PES/PVP制成的。膜層具有最大達(dá)0.3m的孔以及1500l/hm2的滲透量。這個(gè)IPC膜在1bar情況下容易反洗第一個(gè)在MBR上涂覆鑄膜液的樣品已達(dá)到MBR商品膜的水平4。2.實(shí)驗(yàn)部

5、分2.1 PVDF管狀針織物復(fù)合膜的制備2.1.1管狀針織物的制備利用針織手搖橫機(jī)編織單層管狀針織物。手動(dòng)調(diào)整好所需要的機(jī)器彎紗深度。在導(dǎo)紗器中喂入滌綸復(fù)絲。本課題通過(guò)改變彎紗深度以及參加編織的針數(shù)來(lái)得到不同的實(shí)驗(yàn)樣品，課題中通過(guò)比較不同樣品決定選用滌綸紗線捻度為100捻/m，彎紗深度為8.5mm，縱行數(shù)為15。 PVDF針織物復(fù)合膜的制備以DMAC為溶劑，PEG為制孔劑，按PVDF與DMAC的質(zhì)量比為20:80來(lái)配置PVDF鑄膜液，將鑄膜液置于恒溫水浴鍋中，90oC下攪拌兩小時(shí)，然后將攪拌好的鑄膜液靜置脫泡兩小時(shí)待用。將管狀針織物套在涂覆設(shè)備的不銹鋼軌道上，將鑄膜液倒入制膜盒，并將其沿著軌道

6、自上而下運(yùn)動(dòng)，鑄膜液涂覆于針織物上即得針織物復(fù)合膜。2.2測(cè)試與分析2.2.1通量測(cè)試用常規(guī)膜通量測(cè)試儀器于室溫在0.1MPa下測(cè)定膜的水通量。先將復(fù)合膜在工作壓力下預(yù)壓15min，使通量保持穩(wěn)定，然后按下式計(jì)算通量： （2-1）式中，V為通過(guò)水的體積(L)，S為膜面積(m2)，t為測(cè)試時(shí)間(h)。2.2.2斷裂強(qiáng)力的測(cè)定采用萬(wàn)能強(qiáng)力儀(美國(guó)Instron公司3369型)測(cè)試樣品的力學(xué)性能，采用的標(biāo)準(zhǔn)為GBT 3923.1-1997，樣品分別為干濕狀態(tài)下的聚偏氟乙烯（PVDF）單膜，管狀滌綸纖維針織織物，針織復(fù)合膜。測(cè)試溫度為20oC，拉伸速度為50mm/min，夾持長(zhǎng)度為50mm，選擇最大載

7、荷為1000N的夾頭，實(shí)驗(yàn)中試樣幾何形狀設(shè)置為管狀，外徑為6.6mm，內(nèi)徑4.3mm。3.結(jié)果與討論3.1針織物復(fù)合膜的滲透性能研究圖1所示為針織復(fù)合膜的內(nèi)外表面的SEM圖像，其中，圖1（a）中可觀察到的為致密的PVDF膜，圖1（b）中可觀察到支撐體針織物的線圈結(jié)構(gòu)以及滲入支撐體內(nèi)部PVDF鑄膜液所形成的不完整膜及顆粒。在電鏡下可觀察到外層的PVDF膜致密無(wú)孔，而內(nèi)層支撐體孔隙較大，這與針織物線圈結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。在水通量測(cè)試過(guò)程中，外層PVDF膜可滲透過(guò)的水溶液，內(nèi)層支撐體針織物的滲透通道不會(huì)對(duì)其阻留?？傊?，管狀針織物的支撐對(duì)PVDF膜的滲透性能基本沒(méi)有影響。圖2所示為PVDF膜與針織復(fù)合膜水通

8、量的測(cè)試結(jié)果，從圖中可知針織物支撐之后的復(fù)合膜的水通量與單獨(dú)的PVDF膜相比差距不大，依然穩(wěn)定在290L/m2.h。因此，有理由相信針織復(fù)合膜的滲透性能在商用上的表現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到了PVDF單膜的水平。（a） （b）圖1 針織復(fù)合膜表面SEM圖（a）針織復(fù)合膜的外表面（b）針織復(fù)合膜的內(nèi)表面圖2 針織物支撐對(duì)膜水通量的影響3.2針織物復(fù)合膜的力學(xué)性能研究3.2.1斷裂強(qiáng)力圖3為濕態(tài)下的PVDF單膜、單獨(dú)織物以及針織復(fù)合膜的斷裂載荷，從圖中可知其斷裂載荷依次為10.94N,691.06N,830.19N，單獨(dú)的PVDF膜的斷裂強(qiáng)力很低，機(jī)械性能較差，在單膜使用時(shí)經(jīng)常折斷。在與支撐體針織物復(fù)合之后的斷裂

9、強(qiáng)力增加7488.57%。，這使復(fù)合膜在過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用更廣泛。圖3 濕態(tài)下單膜、織物、復(fù)合膜的斷裂載荷圖4為PVDF單膜，單獨(dú)織物以及針織復(fù)合膜在干、濕態(tài)條件下斷裂載荷對(duì)比，從圖可知濕態(tài)下的PVDF單膜斷裂強(qiáng)力相較于干態(tài)下有所上升，但幅度不大；而干濕態(tài)下的單獨(dú)織物以及針織復(fù)合膜沒(méi)有明顯變化，這可以說(shuō)明在用作過(guò)濾材料時(shí)，復(fù)合膜的強(qiáng)力不會(huì)有很大的改變，同樣不會(huì)對(duì)其性能有影響。圖4 單膜、織物、復(fù)合膜在干、濕態(tài)條件下斷裂載荷對(duì)比3.2.2斷裂伸長(zhǎng)圖5所示為濕態(tài)下PVDF單膜，單獨(dú)織物以及針織復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率，從圖中可知其斷裂伸長(zhǎng)依次為12.51%、75.44%、113.91%。幾種樣品的斷裂伸長(zhǎng)率

10、依次增加且增幅明顯，在PVDF膜內(nèi)加入管狀針織物作為支撐使得膜的韌性增加，其機(jī)械性能增強(qiáng)。圖6為PVDF單膜，單獨(dú)織物以及針織復(fù)合膜在干、濕態(tài)條件下斷裂伸長(zhǎng)率的對(duì)比，從圖可知濕態(tài)下的PVDF單膜斷裂伸長(zhǎng)率相較于干態(tài)下有所下降，降幅幅度較大，接近50%，斷裂伸長(zhǎng)率從原有的25.83%降低到12.57%；濕態(tài)下的管狀針織物斷裂伸長(zhǎng)率較干態(tài)下有微小下降；濕態(tài)下的復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率相較于干態(tài)下有明顯上升，幅度為13%。同樣此項(xiàng)性能在干濕態(tài)下的表現(xiàn)不會(huì)影響復(fù)合膜的使用。 圖5 濕態(tài)下單膜、織物、復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)圖6 單膜、織物、復(fù)合膜在干、濕態(tài)條件下斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比4.結(jié)論（1）針織物復(fù)合膜的過(guò)濾性能不會(huì)因

11、為加入了管狀針織物支撐體而減弱。由于針織物復(fù)合膜外層膜致密，內(nèi)部支撐體針織物的孔隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外層PVDF不會(huì)對(duì)水溶液進(jìn)行阻留，所以針織物復(fù)合膜的水通量穩(wěn)定在290L/ m2.h。 （2）單獨(dú)的PVDF膜的斷裂強(qiáng)力很低，機(jī)械性能比較差。在與支撐體針織物復(fù)合之后的斷裂強(qiáng)力增加7488.57%。 在復(fù)合了針織物之后其斷裂伸長(zhǎng)率也有明顯上升，可以說(shuō)膜的韌性更加強(qiáng)，變形能力增強(qiáng)。這使復(fù)合膜在過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用更廣泛。參考文獻(xiàn)1 高以垣,葉凌碧. 膜分離技術(shù)基礎(chǔ). 科學(xué)出版社. 1989:2.2 李娜娜, 肖長(zhǎng)發(fā), 安樹(shù)林, PVDF/PVA 共混膜的研究, 功能材料, 2007, 38(12):1975. 3 李憑力等. 高強(qiáng)度復(fù)合型PVDF 中空纖維膜的制備研究() 凝固浴及纖維數(shù)對(duì)膜性能的影響. 膜技術(shù)與科學(xué), 2008, 6