相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展

第39卷第10期塑料工业

2011年10月

CHINAPLAS,兀CS

JNDUmY

・17・

相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展木

芦艳,赵国发,张广洲,卢大山

(东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆163318)

摘要:综述了聚偏氟乙烯(PVDF)超滤(uF)膜在相转化制备方法和亲水化改性两方面的最新研究进展。在相转化制备方法中,介绍了聚合物用量、溶剂的选择、添加剂的种类和用量及凝固浴组成和温度对膜结构和性能的影响;在PVDF超滤膜亲水化改性方面,介绍了共混改性、共聚改性、辐照接枝改性、等子体改性等方法的机理、特点和近年来的研究进展,指出了共混改性是今后亲水改性的主要方向。

关键词:聚偏氟乙烯;超滤膜;制备;亲水化改性中图分类号:TQ325.4

文献标识码:A

文章编号:1005—5770(2011)10一ool7一05

ResearchProgre豁inPVDFUItra6ltration

Membra眦s

Prepared

by

PhaseIIIVersion

MethodandItsHydrophilicModi6catio嬲

LUYan,ZHAOGuo。fa,ZHANG

Gu柚g—zIlou,LU

Da—sharI

(DepartmentofChemistry,Nonhe∞t

Petrole岫U面ve碍i哆,Daqing

163318,Chi眦)

Abstract:7111enewlyresearchpmgres8ofpolyvinylidenenuoride(PVDF)

ultr丑Ifiltrationmembranein

preparationandhydrophilic

modificationw髂reviewed.711lee任.ectsofeoncentrationofpolymer,跎lectionof

solVents,

varieties粕d

contents

ofadditionagent8,

coagulationbathcompositionand

temperature彻mo印hol—

ogyaIld

propertyofPVDFultranltrationmembranewhichw幽madebypha鸵inVe璐ion

were8howed.7Fhe

modincationmethodsofPVDFultr娟ltration

membranesincluding

physicalblendingandcopolymeri∞tion,m-

diation

induced耐ting

andlow。temperaturepl鹪ma

were

int硎uced.The

mechanisIlls,

charactedsticsafld

thelatestresearchprogressofthesemethodswerementioned.

Itw船evidentthatphysicalblendingmodmca'

tionwasthetr.endinthehydrophilicmodification.

Keywords:PVDF;UFMembrane;Prel)aration;HydrophilicMod谕cation

相转化法制膜工艺简单,操作方便,膜结构容易

相转化法是制备PVDF超滤膜使用最多的方法。相转化法是一种以某种控制方式使聚合物从液态转变为固态的过程,这种固化过程通常是由一个均相液态

转变为两个液态(液液分层)而引发的。在分层达到一定程度时,其中一个液相(聚合物用量高的相)

固化,结果形成了固体本体哺】。通过控制相转化的初始阶段,可以控制膜的形态,即是多孔的还是无孑L的。影响超滤膜孔结构和性能的因素:聚合物用量、溶剂的选择、添加剂的种类和用量及凝固浴的组成与温度等。

1.1聚合物用量的影响

聚合物用量是相转化法制备PvDF超滤膜过程中影响膜结构和性能的重要因素,该方法制备超滤膜的相转化法制备PVDF超滤膜

膜孔结构受到铸膜液体系的热力学性质及成膜过程中

木国家博士后基金资助项目(20080440129),国家博士基金特别资助项目(200902395)

作者简介:芦艳,女,1968年生,博士后,教授,主要从事膜法水分离技术和环境化学方面的研究。

Iuyandq@l63.com

万方数据

控制,大多数聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜采用该方法制备。由于具有较强的抗氧化性、良好的热稳定

性、耐辐射性、优异的机械性能及易成膜等优点,

PVDF成为超滤膜制备中应用最广泛的材料之一…。PVDF的表面能极高,因此疏水性较强,这使其成为

气体吸附、脱附及膜蒸馏”。41等非水体系分离过程的理想用膜。然而膜材料本身的疏水性经常导致膜污

染及通量下降成为膜技术在水处理领域应用的最大障碍"J。为此,人们对膜亲水化改性进行了大量研究,

在基体改性和表面改性方面探索出了行之有效的方法。本文综述了超滤膜的相转化制备方法及膜亲水化

改性的研究进展。

塑料工业

2011年

溶剂与非溶剂的相互扩散情况控制。铸膜液中聚合物用量一般控制在lO%一25%(质量分数,下同),低于此范围不易成膜,高于此范围聚合物将无法充分溶解。在此范围内时随着铸膜液中PVDF用量的提高,铸膜液的热力学性质变得越来越不稳定,从而加快了

其浸入凝固浴时表面的凝胶速度,使膜表面变得厚且

致密。高的聚合物用量可降低初始分相点处溶剂用量,抑制亚层中稀相核的生长和聚并,减少大空腔孔结构而海绵状孔得到发展【7]。赫明佳[83采用相转化法制备了PVDF质量分数为15%一19%的超滤膜,考察了聚合物用量对膜性能的影响,研究发现,在其他

条件不变的情况下,随聚合物用量的减少,膜的有效

孔隙率升高,孔径变大,聚合物用量低于17%时,

截留率随聚合物用量的增加而增加,聚合物用量大于17%时截留率比较稳定。李浩等【91用正交设计研究

PVDF/聚氯乙烯(PVC)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

共混中空纤维膜性能的影响因素,正交实验结果表

明,在PVDF/PVC/PMMA体系中,聚合物的总用量是影响膜的水通量的主要因素,PvDF用量对膜强度影响最大,PMMA对提高膜的亲水性贡献较大,并且得到了优化的制膜条件:铸膜液中PVDF/PVC/PM—MA质量比为7/1.2/1.8,聚合物溶质的总质量分数为17%。

1.2溶剂的影响

在相转化法制备聚合物膜过程中,溶剂的性质直

接影响着膜的结构和性能,溶剂的选择是制备理想滤

膜的关键因素之一。PVDF可溶于Ⅳ,Ⅳ一二甲基甲

酰胺(DMF)、磷酸三乙酯(TEP)、Ⅳ,J\r一二甲基

乙酰胺(DMAc)、二甲基亚砜(DMsO)等强极性溶剂中。研究表明,制膜所用的溶剂不同,膜孔结构和膜性能也不同。C∞等¨训分别以丙酮(AcE)、

DMAc、-IEP、J7、r一甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂通

过超临界CO:诱导致相分离法制备了4种PVDF超滤膜。研究发现,以不同溶剂制备的超滤膜孔径大小顺序为NMP>DMAc>TEP>AcE,这些溶剂与非溶剂超临界cO:的相互作用参数一致。左丹英等¨¨分别

以DMSO、DMAc、DMF为溶剂采用相转化法制备了PVDF超滤膜,膜测试结果表明,当以DMSO、DMAc为溶剂时体系亚层发生瞬时液一液分相,生成了以大

孔结构为主的亚层,膜厚度、孔隙率和气通量均较

高;以DMF为溶剂时体系亚层发生延时液一液分相,

亚层结构以蜂窝状孔为主,.膜厚度、孔隙率和气通量较低。李倩等【121以TEP—DMAc为混合溶剂通过相转万方数据

化法制备了PVDF超滤膜,考察了混合溶剂的比例对膜凝胶速率、膜结构和膜通量的影响。结果表明,随着混合溶剂中,I'EP用量的增大,铸膜液的黏度增大,分相速率减慢,膜表面孔数量增多,膜内部指状孔逐

渐消失,海绵状孔增多,膜通量变大,力学性能提

高。选用不同的溶剂呈现出不同的膜孔结构,主要是溶剂与非溶剂的相互作用参数不同所致。当相互作用参数较小时容易生成指状孔结构,相反时则易生成海绵状孔结构。

1.3添加剂的影响

相转化法制备PVDF超滤膜过程中成孔添加剂对

PVDF在溶剂中的溶解度、铸膜液黏度、膜孔径大小

及膜孔结构等均有影响。聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、

聚乙二醇(PEG)、无水氯化锂(LiCl)等为该过程的常用添加剂。沈惠玲¨列在PVDF/二氧化硅

(SiO:)体系中添加PEG,利用相转化法制备了

PVDF/SiO:杂化膜。研究结果表明,PEG的加入促进

了SiO:在PVDF体系中的分散,增加了界面微孔数量,使膜在保持较高截留率的情形下,水通量得到了

一定程度的提高,SEM断面照片显示加入PEG后膜中大孔数量增多,而且孑L壁上细小微孔数量也增多。

沈惠玲¨钊研究了成孔添加剂PEG、bCl对PVDF/聚氨酯(PU)铸膜体系的成膜动力学以及膜性能的影响,研究发现,这两种成孔剂均能加快成膜速率,膜的水通量有很大程度的提高,截留率下降;当以PEG为添加剂时,成膜速率随PEG相对分子质量的增加而稍有降低,相对分子质量越大,截留率下降得越明显,PEG相对分子质量为4000时,PVDF/Pu复合膜的综合性能最好。Pei等¨纠利用相分离法制备

了亲水性PVDF—LiCl共混膜,膜性能测试结果表明,

随着铸膜液中LiCl用量的增加,PVDF膜的接触角明显降低,膜对水蒸气的吸附能力随之增加,当LiCl质量分数低于2.5%时,水蒸气在膜中的总传质系数

略有增加,当高于此值时总传质系数明显增加,而水

蒸气在膜中的渗透速率随LiCl用量的增加而增加,

因此“Cl的加入可显著提高PVDF膜的亲水性。1.4凝固浴组成及温度的影响

凝固浴的组成及温度对PVDF超滤膜的孔结构也

有较大影响。相转化法制备PvDF超滤膜一般选择水或水与溶剂的混合溶液作为凝固浴。向凝固浴中添加溶剂可抑制膜亚层大孔结构的生长,而升高凝固浴温

度对不同铸膜液体系的影响不同。刘美甜等¨刮考察了凝固浴条件对PU/PVDF共混膜结构与性能的影响。结果表明,以质量分数5%的DMAc水溶液为凝

第39卷第10期芦艳,等:相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展

・19・

固浴时膜中呈现海绵状孔结构,以乙醇或甘油的水溶液为凝固浴时,随着凝固浴中水和甘油含量的增加孔结构由指状孔向海绵状孔转变,随DMAc或乙醇用量增加,共混膜孑L隙率分别保持在65%、75%左右,而水通量测分别从5

L/m2・h增大到355L/m2.h

和10L/m2・h增大为919L/m

2.h,共混膜孔隙率、

水通量均随凝固浴温度的升高而下降。李娜娜等m1

采用干温工艺纺丝法制备PvDF/聚乙烯醇(PVA)中空纤维膜,考察了凝同条件对膜结构及性能的影响,研究发现,凝固浴为液氮时孔结构非常致密,而水为凝同浴时膜表面孔数量较少但尺寸较大,靠近外层的指状孔延长。孔结构变疏松,升高凝固浴温度能增大水通量但会使截留率降低,较高的凝固浴温度有利于PVDF结晶和拉伸强度的提高。

P、协F超滤膜的亲水化改性

2.1膜基体改性

PVDF超滤膜的基体改性方法主要分为共混改性

和共聚改性两类,共混改性是指选用亲水性物质与PvDF共混来提高膜的亲水性,而共聚改性是指通过化学方法使PVDF分子链上带有亲水性基团或单体从而使膜的亲水性提高。这两种方法都可以从根本上提高膜的亲水性。

2.1.1

共混改性

共混改性是PVDF超滤膜亲水化改性技术中的常用方法,与PVDF共混的物质分为无机物和有机物两类。近年来,用无机纳米粒子与PVDF共混制备杂化膜的研究很多,大多数研究表明共混膜的亲水性和抗污染能力及机械性能得到有效提高。在国内外的相关文献中报道较多的与PVDF共混的无机纳米粒子有纳米氧化硅(SiO:)、纳米氧化铝(Al:O,)、纳米氧化钛(TiO,)等。孙志能等¨gj以ACE及DMF为混合溶剂、PVDF为成膜物质、纳米siO:为填料,通过溶液共混法制备了PVDF/SiO:复合微孔薄膜。研究发现,经纳米Si0:改性后,复合薄膜力学性能随SiO:质量分数的增大先提高后降低,在SjO:质量分数为20%时,薄膜拉伸强度达最大值6.36MPa,较未添加纳米SiO,的微孔膜提高了95.1%,复合薄膜孔隙率随SiO,质量分数的升高而增大,当SiO:质量分数为40%时,孑L隙率达最大值113.9%。芦艳等¨引以纳米A1

203为添加剂与PVDF共混,采用相转化法流

延成膜,研究表明,纳米Al:O,质量分数为2%时,改性膜具有较好的水通量、强度和抗污染性能,但未改变膜的微观结构。改性膜在保持PVDF有机膜原有

万方数据

特性的基础上,通过改善PVDF膜的表面亲水性而使

其通量和抗污染性能得到增强。TiO:由于具有很好的稳定性、经济性及易于制备等特点而应用最多。当加入PVDF后,不仅亲水性和通量得到了提高,而且还可以起到杀菌和降低膜污染的作用Ⅲ1。赫明佳旧1以

DMAc为溶剂,在PVDF用量为17%,纳米无机粉体

用量为O.05g,预蒸发时间为5s,凝固浴为10℃条件下制备了PvDF/TiO:、PvDF/舢:O3、PVDF/si02三种共混膜,用sEM分析超滤膜的结构变化,发现

无机粉体添加并没有明显影响到超滤膜的结构。通过

纯水通量衰减的大小,衡量了超滤膜抗蛋白质污染能染能力从大到小依次为PVDF+Ti02>PVDF+Al20

>PVDF+SiO2>纯PVDF膜。Wei等旧1o将锐钛型与

了30%和60%。此外,也有氧化铁Fe(OH),¨“、2)∞】、氧化锌(znO)ⅢJ、氢氧化铝除了与无机组分共混以外,PVDF还可与亲水性力,发现共混超滤膜与纯PVDF超滤膜的抗蛋白质污金红石型TiO:按质量比8/2加入到PVDF中制备超滤膜,研究显示,与未改性膜相比改性膜的表面粗糙度降低,膜表面孔径变小,机械强度变大,亲水性和抗污染能力提高。当无机纳米粒子加入量为5%时,共混膜的机械强度与通量衰减率分别比纯PVDF膜提高氧化锆(Zm镁协1等无机纳米粒子与PVDF共混制备改性超滤膜的报道。

聚合物共混制备改性超滤膜。有机共混膜综合了PVDF本身的优良性能和亲水性聚合物的亲水特性,在保持截留率基本不变的情况下显著提高了膜的水通

量和抗污染能力,从而得到综合性能优异的超滤膜。该方法中PVDF与亲水性聚合物的相容性是决定能否

成膜及成膜后膜结构性质的关键因素。已报道的与PVDF共混的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、醋酸纤维索(CA)、聚砜(PsF)、PU等。李卫等m1

研究了PVDF/PMMA共混膜的结构和性能,结果表

明,PMMA的加入能大大改善膜的微观结构,不但降

低了PVDF的结晶度,而且红外分析(IR)和广角X射线衍射(wxRD)证实部分仅晶型能明显地转变成

口晶型;TGA研究表明共混体系的稳定性比纯PMMA高,但PVDF的热稳定性只有很少降低;力学性能测

试显示共混膜具有很好的力学性能。宋春亮等旧刊采

用相转化法制备了PVDF/PSF/TiO:共混膜,考察了加入少量PSF对共混膜结构和性能变化的影响,结

果表明,加入PsF的TiO:在整个断面分散更均匀,

膜整体亲水性增强,不可逆污染减少。在膜PVDF/

PSF/TiO:质量比为90/10/3时,共混膜的通量恢复率

・20・

塑料工业

2011年

由“.0%提高到93.2%,膜的抗污染性明显增加。左丹英等m1采用相转化法制备了PVDF/Pu管状复合膜,考察了PvDF/Pu不同质量比例、编织管管

径、疏密对膜性能的影响,结果显示,随体系中PU

用量的增加,体系更加倾向于发生快速的液一液分相,导致复合膜孑L隙率增加和水通量提高;管径的增大对管状复合膜的水通量影响很小;随着织管未填充

系数的增大,复合膜的厚度减小,水通量增加。2.1.2共聚改性

共聚改性是通过共聚反应在PVDF链上接人某个亲水性的基团或侧链,得到具有一定亲水性的共聚物,以提高PVDF膜的亲水性。由于PVDF具有较强的化学稳定性,不容易直接与加入的亲水性基团或单体发生反应,赵强等拉钊通过臭氧处理破坏PVDF的化学键使其脱去HF生成活性自由基,成功将亲水性聚丙烯酸链引入到PVDF上,然后用于温法纺丝制备了PVDF。g。PAAc中空纤维膜,改性后的中空纤维膜具有特殊的形貌结构、较低的水接触角和较高的纯水通量。与共混改性相比,共聚改性步骤较多,工艺更加复杂,改性过程中存在很多不确定因素,不利于工

业化的发展唧J。2.2膜表面改性

与基体改性不同,膜表面改性是在膜制备完成后通过表面化学处理、辐照接枝、低温等离子体改性等方法来提高膜的亲水性和抗污染能力,而不改变膜本体的结构和性质。其中低温等离子体和辐照接枝改性

是目前膜表面改性研究的热点问题。2.2.1低温等离子体改性

PVDF超滤膜的低温等离子体改性是先用低温等

离子体照射膜来产生活性自由基,再将亲水性物质接

枝到膜表面以达到改性的目的。张彦成等【3¨采用低

温等离子设备改性PVDF中空纤维膜。研究了改性膜的清水通量及膜表面的动力特性。接枝丙烯酰胺(AM)后的元素能谱分析表明膜表面的N、O含量明

显增加;SEM照片及拉力试验反映出改性膜的膜孔径变小,力学性能良好;改性膜的荷电性能明显优于原膜,且接枝单体质量分数为5%的改性膜的清水通量大于原膜。祝佳丽等mJ以马来酸酐(MAH)低温

等离子体接枝聚合的方法对PVDF薄膜表面进行亲水改性,分析了表面的MAH化学结构;考察了等离子体功率与表面聚合量和接触角的关系。实验结果表明,等离子体使MAH在表面双键打开并接枝聚合;聚合处理功率的增加呈先上升后下降的趋势,30w时最大;经等离子体处理后,接触角由97。下降至万方数据

40。一700,30

w的改性膜表面接触角最小。此外,

文献中也有一些低温等离子体改性PVDF微孔膜的报道口3嘞],研究也取得了一定成果,但改性过程中存

在的等离子体引入的极性基团转移到膜内堵塞膜孔使通量下降的问题使该方法工业化的可能性降低。

2.2.2辐照接枝改性

膜表面辐照接枝聚合反应是指通过电子束、离子

束、紫外光等高能辐射使膜表面的聚合物分子链产生

活性自由基,再与聚合物单体或功能性高分子进行接

枝反应,使膜表面具有更好的亲水性和抗污染性。常

用辐射线有a射线、届射线、y射线等,其中y射线

能量最高,Co∞y射线具有穿透力强、反应均匀、容易操作等特点而应用最广。在接枝过程中要控制聚合物链长的生长或接枝密度,否则会引起膜孑L堵塞进而

使通量下降mJ。

李晓等旧川采用Co∞7射线辐照PVDF接枝AAC,

考察了单体用量、辐照剂量、链转移剂异丙醇(IPA)、盐酸(HCl)、阻聚剂CuSO。用量对接枝率及膜表面亲水性的影响,实验表明,接枝率随辐照剂量和接枝体系中单体用量的增大面增大,随及用量的增

大而减小,改性膜表面接触角表现相反,接枝体系中

添加HCl可显著提高接枝率,有效降低膜表面接触角,表面接触角由改性前的83.30降到改性后的39.2。,膜表面亲水性显著提高。张敬等"引用同样的方法制备了含有高活环氧基团的PVDF—g—PGMA粉

体,结果表明,接枝率随反应时间延长增大,5h后基本不变,单体用量较低时接枝率随单体用量增大而

增大。单体用量大于15%后接枝率减小降低,阿R

测试表明接枝物为PVDF—g.PGMA,改性粉体材料对

Cu2+具有较好的吸附作用。

结语

近年来超滤膜制备与亲水化改性技术得到了不断

的发展,从根本上提高膜的水通量、抗污染能力及机械强度一直是膜科学工作者积极追求的目标。本文综述了相转化方法制备PVDF超滤膜过程中聚合物用

量、溶剂、添加剂及凝同浴组成与温度对超滤膜结构和性能的影响;介绍了常用改性方法的机理、特点及最新研究进展,其中共混改性由于具有工艺简单、操作简便、改性彻底等优点是超滤膜亲水化改性的主要

方向。

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(下转第25页)

第39卷第lo期陈红,等:高摩尔质量聚苯乙烯的合成及反应动力学研究

・25・

以看出,高摩尔质量聚苯乙烯的黄色指数为13.64,白度指数为5.67。GPPS的黄色指数为一0.92(YIE313),白度指数为44.28(WIE313)。高摩尔质量聚苯乙烯同GPPS相比,颜色深、绿、少蓝。

96%,偶合度达3.4。

3)高摩尔质量聚苯乙烯树脂GPC图谱呈双峰分布,平均摩尔质量在80

104

g/mol左右,摩尔质量

分布2.0左右;既具有通用聚苯乙烯优异的光学性能,又具有较高的机械强度。

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(本文于20ll一06—24收到)

3结论

1)基础摩尔质量对单体转化率、偶联效率均有

一定程度的影响,当基础摩尔质量为20×104g/mol时,偶合效率大于85%;而当基础摩尔质量增加到

40×104

g/mol,偶联效率在80%左右。

2)通过聚苯乙烯活性种末端丁二烯改性可提高

高摩尔质量聚苯乙烯树脂的偶合效率,偶合效率可达

(上接第2l页)[33]Bu0NOMENNA

Driolia.Sodium

MG,LOPEzLc,BARBIERIG,eta1.

tungstate

fhcesbyatnlosphericpiasmatreatmentfoIIowedwithfreerad-icaJ

g≯曲coPoJymerization[J].J

ApplPolymsci,2007,

immobilized

on

plasma‘trealed104(6):3614—3621.

PVDFmembr肌es:

Newe侬cieIlt

to

hetemgeneouscatalystfor

JMolcatal,

[36]魏丽超,刘振,周津.聚偏氟乙烯分离膜亲水改必的研

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xiaolin,cHENxiuzhen,el

a1.

Temperatu聪。sensitivemembranespreparedbytheplasma。in-

duced黟aflP0lymeriz砒ionof

oIls

polyetllylem

N。isop唧ylacryl帅ideintopor_

memb咖es[J].JAppIPolymSci,

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[35]wANG)(iaoling,MARIAN

G,MccoRD.G础iIlg

ofpoly

sur.

(本文于20ll一07—0L4收到)

(N‘is叩m西lacrylamide)ontonyl∞卸d

polysty陀ne

《塑料》征订启事

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万方数据

相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

芦艳, 赵国发, 张广洲, 卢大山, LU Yan, ZHAO Guo-fa, ZHANG Guang-zhou, LU Da-shan东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆,163318塑料工业

China Plastics Industry2011,39(10)

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本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_slgy201110005.aspx

第39卷第10期塑料工业

2011年10月

CHINAPLAS,兀CS

JNDUmY

・17・

相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展木

芦艳,赵国发,张广洲,卢大山

(东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆163318)

摘要:综述了聚偏氟乙烯(PVDF)超滤(uF)膜在相转化制备方法和亲水化改性两方面的最新研究进展。在相转化制备方法中,介绍了聚合物用量、溶剂的选择、添加剂的种类和用量及凝固浴组成和温度对膜结构和性能的影响;在PVDF超滤膜亲水化改性方面,介绍了共混改性、共聚改性、辐照接枝改性、等子体改性等方法的机理、特点和近年来的研究进展,指出了共混改性是今后亲水改性的主要方向。

关键词:聚偏氟乙烯;超滤膜;制备;亲水化改性中图分类号:TQ325.4

文献标识码:A

文章编号:1005—5770(2011)10一ool7一05

ResearchProgre豁inPVDFUItra6ltration

Membra眦s

Prepared

by

PhaseIIIVersion

MethodandItsHydrophilicModi6catio嬲

LUYan,ZHAOGuo。fa,ZHANG

Gu柚g—zIlou,LU

Da—sharI

(DepartmentofChemistry,Nonhe∞t

Petrole岫U面ve碍i哆,Daqing

163318,Chi眦)

Abstract:7111enewlyresearchpmgres8ofpolyvinylidenenuoride(PVDF)

ultr丑Ifiltrationmembranein

preparationandhydrophilic

modificationw髂reviewed.711lee任.ectsofeoncentrationofpolymer,跎lectionof

solVents,

varieties粕d

contents

ofadditionagent8,

coagulationbathcompositionand

temperature彻mo印hol—

ogyaIld

propertyofPVDFultranltrationmembranewhichw幽madebypha鸵inVe璐ion

were8howed.7Fhe

modincationmethodsofPVDFultr娟ltration

membranesincluding

physicalblendingandcopolymeri∞tion,m-

diation

induced耐ting

andlow。temperaturepl鹪ma

were

int硎uced.The

mechanisIlls,

charactedsticsafld

thelatestresearchprogressofthesemethodswerementioned.

Itw船evidentthatphysicalblendingmodmca'

tionwasthetr.endinthehydrophilicmodification.

Keywords:PVDF;UFMembrane;Prel)aration;HydrophilicMod谕cation

相转化法制膜工艺简单,操作方便,膜结构容易

相转化法是制备PVDF超滤膜使用最多的方法。相转化法是一种以某种控制方式使聚合物从液态转变为固态的过程,这种固化过程通常是由一个均相液态

转变为两个液态(液液分层)而引发的。在分层达到一定程度时,其中一个液相(聚合物用量高的相)

固化,结果形成了固体本体哺】。通过控制相转化的初始阶段,可以控制膜的形态,即是多孔的还是无孑L的。影响超滤膜孔结构和性能的因素:聚合物用量、溶剂的选择、添加剂的种类和用量及凝固浴的组成与温度等。

1.1聚合物用量的影响

聚合物用量是相转化法制备PvDF超滤膜过程中影响膜结构和性能的重要因素,该方法制备超滤膜的相转化法制备PVDF超滤膜

膜孔结构受到铸膜液体系的热力学性质及成膜过程中

木国家博士后基金资助项目(20080440129),国家博士基金特别资助项目(200902395)

作者简介:芦艳,女,1968年生,博士后,教授,主要从事膜法水分离技术和环境化学方面的研究。

Iuyandq@l63.com

万方数据

控制,大多数聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜采用该方法制备。由于具有较强的抗氧化性、良好的热稳定

性、耐辐射性、优异的机械性能及易成膜等优点,

PVDF成为超滤膜制备中应用最广泛的材料之一…。PVDF的表面能极高,因此疏水性较强,这使其成为

气体吸附、脱附及膜蒸馏”。41等非水体系分离过程的理想用膜。然而膜材料本身的疏水性经常导致膜污

染及通量下降成为膜技术在水处理领域应用的最大障碍"J。为此,人们对膜亲水化改性进行了大量研究,

在基体改性和表面改性方面探索出了行之有效的方法。本文综述了超滤膜的相转化制备方法及膜亲水化

改性的研究进展。

塑料工业

2011年

溶剂与非溶剂的相互扩散情况控制。铸膜液中聚合物用量一般控制在lO%一25%(质量分数,下同),低于此范围不易成膜,高于此范围聚合物将无法充分溶解。在此范围内时随着铸膜液中PVDF用量的提高,铸膜液的热力学性质变得越来越不稳定,从而加快了

其浸入凝固浴时表面的凝胶速度,使膜表面变得厚且

致密。高的聚合物用量可降低初始分相点处溶剂用量,抑制亚层中稀相核的生长和聚并,减少大空腔孔结构而海绵状孔得到发展【7]。赫明佳[83采用相转化法制备了PVDF质量分数为15%一19%的超滤膜,考察了聚合物用量对膜性能的影响,研究发现,在其他

条件不变的情况下,随聚合物用量的减少,膜的有效

孔隙率升高,孔径变大,聚合物用量低于17%时,

截留率随聚合物用量的增加而增加,聚合物用量大于17%时截留率比较稳定。李浩等【91用正交设计研究

PVDF/聚氯乙烯(PVC)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

共混中空纤维膜性能的影响因素,正交实验结果表

明,在PVDF/PVC/PMMA体系中,聚合物的总用量是影响膜的水通量的主要因素,PvDF用量对膜强度影响最大,PMMA对提高膜的亲水性贡献较大,并且得到了优化的制膜条件:铸膜液中PVDF/PVC/PM—MA质量比为7/1.2/1.8,聚合物溶质的总质量分数为17%。

1.2溶剂的影响

在相转化法制备聚合物膜过程中,溶剂的性质直

接影响着膜的结构和性能,溶剂的选择是制备理想滤

膜的关键因素之一。PVDF可溶于Ⅳ,Ⅳ一二甲基甲

酰胺(DMF)、磷酸三乙酯(TEP)、Ⅳ,J\r一二甲基

乙酰胺(DMAc)、二甲基亚砜(DMsO)等强极性溶剂中。研究表明,制膜所用的溶剂不同,膜孔结构和膜性能也不同。C∞等¨训分别以丙酮(AcE)、

DMAc、-IEP、J7、r一甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂通

过超临界CO:诱导致相分离法制备了4种PVDF超滤膜。研究发现,以不同溶剂制备的超滤膜孔径大小顺序为NMP>DMAc>TEP>AcE,这些溶剂与非溶剂超临界cO:的相互作用参数一致。左丹英等¨¨分别

以DMSO、DMAc、DMF为溶剂采用相转化法制备了PVDF超滤膜,膜测试结果表明,当以DMSO、DMAc为溶剂时体系亚层发生瞬时液一液分相,生成了以大

孔结构为主的亚层,膜厚度、孔隙率和气通量均较

高;以DMF为溶剂时体系亚层发生延时液一液分相,

亚层结构以蜂窝状孔为主,.膜厚度、孔隙率和气通量较低。李倩等【121以TEP—DMAc为混合溶剂通过相转万方数据

化法制备了PVDF超滤膜,考察了混合溶剂的比例对膜凝胶速率、膜结构和膜通量的影响。结果表明,随着混合溶剂中,I'EP用量的增大,铸膜液的黏度增大,分相速率减慢,膜表面孔数量增多,膜内部指状孔逐

渐消失,海绵状孔增多,膜通量变大,力学性能提

高。选用不同的溶剂呈现出不同的膜孔结构,主要是溶剂与非溶剂的相互作用参数不同所致。当相互作用参数较小时容易生成指状孔结构,相反时则易生成海绵状孔结构。

1.3添加剂的影响

相转化法制备PVDF超滤膜过程中成孔添加剂对

PVDF在溶剂中的溶解度、铸膜液黏度、膜孔径大小

及膜孔结构等均有影响。聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、

聚乙二醇(PEG)、无水氯化锂(LiCl)等为该过程的常用添加剂。沈惠玲¨列在PVDF/二氧化硅

(SiO:)体系中添加PEG,利用相转化法制备了

PVDF/SiO:杂化膜。研究结果表明,PEG的加入促进

了SiO:在PVDF体系中的分散,增加了界面微孔数量,使膜在保持较高截留率的情形下,水通量得到了

一定程度的提高,SEM断面照片显示加入PEG后膜中大孔数量增多,而且孑L壁上细小微孔数量也增多。

沈惠玲¨钊研究了成孔添加剂PEG、bCl对PVDF/聚氨酯(PU)铸膜体系的成膜动力学以及膜性能的影响,研究发现,这两种成孔剂均能加快成膜速率,膜的水通量有很大程度的提高,截留率下降;当以PEG为添加剂时,成膜速率随PEG相对分子质量的增加而稍有降低,相对分子质量越大,截留率下降得越明显,PEG相对分子质量为4000时,PVDF/Pu复合膜的综合性能最好。Pei等¨纠利用相分离法制备

了亲水性PVDF—LiCl共混膜,膜性能测试结果表明,

随着铸膜液中LiCl用量的增加,PVDF膜的接触角明显降低,膜对水蒸气的吸附能力随之增加,当LiCl质量分数低于2.5%时,水蒸气在膜中的总传质系数

略有增加,当高于此值时总传质系数明显增加,而水

蒸气在膜中的渗透速率随LiCl用量的增加而增加,

因此“Cl的加入可显著提高PVDF膜的亲水性。1.4凝固浴组成及温度的影响

凝固浴的组成及温度对PVDF超滤膜的孔结构也

有较大影响。相转化法制备PvDF超滤膜一般选择水或水与溶剂的混合溶液作为凝固浴。向凝固浴中添加溶剂可抑制膜亚层大孔结构的生长,而升高凝固浴温

度对不同铸膜液体系的影响不同。刘美甜等¨刮考察了凝固浴条件对PU/PVDF共混膜结构与性能的影响。结果表明,以质量分数5%的DMAc水溶液为凝

第39卷第10期芦艳,等:相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展

・19・

固浴时膜中呈现海绵状孔结构,以乙醇或甘油的水溶液为凝固浴时,随着凝固浴中水和甘油含量的增加孔结构由指状孔向海绵状孔转变,随DMAc或乙醇用量增加,共混膜孑L隙率分别保持在65%、75%左右,而水通量测分别从5

L/m2・h增大到355L/m2.h

和10L/m2・h增大为919L/m

2.h,共混膜孔隙率、

水通量均随凝固浴温度的升高而下降。李娜娜等m1

采用干温工艺纺丝法制备PvDF/聚乙烯醇(PVA)中空纤维膜,考察了凝同条件对膜结构及性能的影响,研究发现,凝固浴为液氮时孔结构非常致密,而水为凝同浴时膜表面孔数量较少但尺寸较大,靠近外层的指状孔延长。孔结构变疏松,升高凝固浴温度能增大水通量但会使截留率降低,较高的凝固浴温度有利于PVDF结晶和拉伸强度的提高。

P、协F超滤膜的亲水化改性

2.1膜基体改性

PVDF超滤膜的基体改性方法主要分为共混改性

和共聚改性两类,共混改性是指选用亲水性物质与PvDF共混来提高膜的亲水性,而共聚改性是指通过化学方法使PVDF分子链上带有亲水性基团或单体从而使膜的亲水性提高。这两种方法都可以从根本上提高膜的亲水性。

2.1.1

共混改性

共混改性是PVDF超滤膜亲水化改性技术中的常用方法,与PVDF共混的物质分为无机物和有机物两类。近年来,用无机纳米粒子与PVDF共混制备杂化膜的研究很多,大多数研究表明共混膜的亲水性和抗污染能力及机械性能得到有效提高。在国内外的相关文献中报道较多的与PVDF共混的无机纳米粒子有纳米氧化硅(SiO:)、纳米氧化铝(Al:O,)、纳米氧化钛(TiO,)等。孙志能等¨gj以ACE及DMF为混合溶剂、PVDF为成膜物质、纳米siO:为填料,通过溶液共混法制备了PVDF/SiO:复合微孔薄膜。研究发现,经纳米Si0:改性后,复合薄膜力学性能随SiO:质量分数的增大先提高后降低,在SjO:质量分数为20%时,薄膜拉伸强度达最大值6.36MPa,较未添加纳米SiO,的微孔膜提高了95.1%,复合薄膜孔隙率随SiO,质量分数的升高而增大,当SiO:质量分数为40%时,孑L隙率达最大值113.9%。芦艳等¨引以纳米A1

203为添加剂与PVDF共混,采用相转化法流

延成膜,研究表明,纳米Al:O,质量分数为2%时,改性膜具有较好的水通量、强度和抗污染性能,但未改变膜的微观结构。改性膜在保持PVDF有机膜原有

万方数据

特性的基础上,通过改善PVDF膜的表面亲水性而使

其通量和抗污染性能得到增强。TiO:由于具有很好的稳定性、经济性及易于制备等特点而应用最多。当加入PVDF后,不仅亲水性和通量得到了提高,而且还可以起到杀菌和降低膜污染的作用Ⅲ1。赫明佳旧1以

DMAc为溶剂,在PVDF用量为17%,纳米无机粉体

用量为O.05g,预蒸发时间为5s,凝固浴为10℃条件下制备了PvDF/TiO:、PvDF/舢:O3、PVDF/si02三种共混膜,用sEM分析超滤膜的结构变化,发现

无机粉体添加并没有明显影响到超滤膜的结构。通过

纯水通量衰减的大小,衡量了超滤膜抗蛋白质污染能染能力从大到小依次为PVDF+Ti02>PVDF+Al20

>PVDF+SiO2>纯PVDF膜。Wei等旧1o将锐钛型与

了30%和60%。此外,也有氧化铁Fe(OH),¨“、2)∞】、氧化锌(znO)ⅢJ、氢氧化铝除了与无机组分共混以外,PVDF还可与亲水性力,发现共混超滤膜与纯PVDF超滤膜的抗蛋白质污金红石型TiO:按质量比8/2加入到PVDF中制备超滤膜,研究显示,与未改性膜相比改性膜的表面粗糙度降低,膜表面孔径变小,机械强度变大,亲水性和抗污染能力提高。当无机纳米粒子加入量为5%时,共混膜的机械强度与通量衰减率分别比纯PVDF膜提高氧化锆(Zm镁协1等无机纳米粒子与PVDF共混制备改性超滤膜的报道。

聚合物共混制备改性超滤膜。有机共混膜综合了PVDF本身的优良性能和亲水性聚合物的亲水特性,在保持截留率基本不变的情况下显著提高了膜的水通

量和抗污染能力,从而得到综合性能优异的超滤膜。该方法中PVDF与亲水性聚合物的相容性是决定能否

成膜及成膜后膜结构性质的关键因素。已报道的与PVDF共混的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、醋酸纤维索(CA)、聚砜(PsF)、PU等。李卫等m1

研究了PVDF/PMMA共混膜的结构和性能,结果表

明,PMMA的加入能大大改善膜的微观结构,不但降

低了PVDF的结晶度,而且红外分析(IR)和广角X射线衍射(wxRD)证实部分仅晶型能明显地转变成

口晶型;TGA研究表明共混体系的稳定性比纯PMMA高,但PVDF的热稳定性只有很少降低;力学性能测

试显示共混膜具有很好的力学性能。宋春亮等旧刊采

用相转化法制备了PVDF/PSF/TiO:共混膜,考察了加入少量PSF对共混膜结构和性能变化的影响,结

果表明,加入PsF的TiO:在整个断面分散更均匀,

膜整体亲水性增强,不可逆污染减少。在膜PVDF/

PSF/TiO:质量比为90/10/3时,共混膜的通量恢复率

・20・

塑料工业

2011年

由“.0%提高到93.2%,膜的抗污染性明显增加。左丹英等m1采用相转化法制备了PVDF/Pu管状复合膜,考察了PvDF/Pu不同质量比例、编织管管

径、疏密对膜性能的影响,结果显示,随体系中PU

用量的增加,体系更加倾向于发生快速的液一液分相,导致复合膜孑L隙率增加和水通量提高;管径的增大对管状复合膜的水通量影响很小;随着织管未填充

系数的增大,复合膜的厚度减小,水通量增加。2.1.2共聚改性

共聚改性是通过共聚反应在PVDF链上接人某个亲水性的基团或侧链,得到具有一定亲水性的共聚物,以提高PVDF膜的亲水性。由于PVDF具有较强的化学稳定性,不容易直接与加入的亲水性基团或单体发生反应,赵强等拉钊通过臭氧处理破坏PVDF的化学键使其脱去HF生成活性自由基,成功将亲水性聚丙烯酸链引入到PVDF上,然后用于温法纺丝制备了PVDF。g。PAAc中空纤维膜,改性后的中空纤维膜具有特殊的形貌结构、较低的水接触角和较高的纯水通量。与共混改性相比,共聚改性步骤较多,工艺更加复杂,改性过程中存在很多不确定因素,不利于工

业化的发展唧J。2.2膜表面改性

与基体改性不同,膜表面改性是在膜制备完成后通过表面化学处理、辐照接枝、低温等离子体改性等方法来提高膜的亲水性和抗污染能力,而不改变膜本体的结构和性质。其中低温等离子体和辐照接枝改性

是目前膜表面改性研究的热点问题。2.2.1低温等离子体改性

PVDF超滤膜的低温等离子体改性是先用低温等

离子体照射膜来产生活性自由基,再将亲水性物质接

枝到膜表面以达到改性的目的。张彦成等【3¨采用低

温等离子设备改性PVDF中空纤维膜。研究了改性膜的清水通量及膜表面的动力特性。接枝丙烯酰胺(AM)后的元素能谱分析表明膜表面的N、O含量明

显增加;SEM照片及拉力试验反映出改性膜的膜孔径变小,力学性能良好;改性膜的荷电性能明显优于原膜,且接枝单体质量分数为5%的改性膜的清水通量大于原膜。祝佳丽等mJ以马来酸酐(MAH)低温

等离子体接枝聚合的方法对PVDF薄膜表面进行亲水改性,分析了表面的MAH化学结构;考察了等离子体功率与表面聚合量和接触角的关系。实验结果表明,等离子体使MAH在表面双键打开并接枝聚合;聚合处理功率的增加呈先上升后下降的趋势,30w时最大;经等离子体处理后,接触角由97。下降至万方数据

40。一700,30

w的改性膜表面接触角最小。此外,

文献中也有一些低温等离子体改性PVDF微孔膜的报道口3嘞],研究也取得了一定成果,但改性过程中存

在的等离子体引入的极性基团转移到膜内堵塞膜孔使通量下降的问题使该方法工业化的可能性降低。

2.2.2辐照接枝改性

膜表面辐照接枝聚合反应是指通过电子束、离子

束、紫外光等高能辐射使膜表面的聚合物分子链产生

活性自由基,再与聚合物单体或功能性高分子进行接

枝反应,使膜表面具有更好的亲水性和抗污染性。常

用辐射线有a射线、届射线、y射线等,其中y射线

能量最高,Co∞y射线具有穿透力强、反应均匀、容易操作等特点而应用最广。在接枝过程中要控制聚合物链长的生长或接枝密度,否则会引起膜孑L堵塞进而

使通量下降mJ。

李晓等旧川采用Co∞7射线辐照PVDF接枝AAC,

考察了单体用量、辐照剂量、链转移剂异丙醇(IPA)、盐酸(HCl)、阻聚剂CuSO。用量对接枝率及膜表面亲水性的影响,实验表明,接枝率随辐照剂量和接枝体系中单体用量的增大面增大,随及用量的增

大而减小,改性膜表面接触角表现相反,接枝体系中

添加HCl可显著提高接枝率,有效降低膜表面接触角,表面接触角由改性前的83.30降到改性后的39.2。,膜表面亲水性显著提高。张敬等"引用同样的方法制备了含有高活环氧基团的PVDF—g—PGMA粉

体,结果表明,接枝率随反应时间延长增大,5h后基本不变,单体用量较低时接枝率随单体用量增大而

增大。单体用量大于15%后接枝率减小降低,阿R

测试表明接枝物为PVDF—g.PGMA,改性粉体材料对

Cu2+具有较好的吸附作用。

结语

近年来超滤膜制备与亲水化改性技术得到了不断

的发展,从根本上提高膜的水通量、抗污染能力及机械强度一直是膜科学工作者积极追求的目标。本文综述了相转化方法制备PVDF超滤膜过程中聚合物用

量、溶剂、添加剂及凝同浴组成与温度对超滤膜结构和性能的影响;介绍了常用改性方法的机理、特点及最新研究进展,其中共混改性由于具有工艺简单、操作简便、改性彻底等优点是超滤膜亲水化改性的主要

方向。

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(下转第25页)

第39卷第lo期陈红,等:高摩尔质量聚苯乙烯的合成及反应动力学研究

・25・

以看出,高摩尔质量聚苯乙烯的黄色指数为13.64,白度指数为5.67。GPPS的黄色指数为一0.92(YIE313),白度指数为44.28(WIE313)。高摩尔质量聚苯乙烯同GPPS相比,颜色深、绿、少蓝。

96%,偶合度达3.4。

3)高摩尔质量聚苯乙烯树脂GPC图谱呈双峰分布,平均摩尔质量在80

104

g/mol左右,摩尔质量

分布2.0左右;既具有通用聚苯乙烯优异的光学性能,又具有较高的机械强度。

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(本文于20ll一06—24收到)

3结论

1)基础摩尔质量对单体转化率、偶联效率均有

一定程度的影响,当基础摩尔质量为20×104g/mol时,偶合效率大于85%;而当基础摩尔质量增加到

40×104

g/mol,偶联效率在80%左右。

2)通过聚苯乙烯活性种末端丁二烯改性可提高

高摩尔质量聚苯乙烯树脂的偶合效率,偶合效率可达

(上接第2l页)[33]Bu0NOMENNA

Driolia.Sodium

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(本文于20ll一07—0L4收到)

(N‘is叩m西lacrylamide)ontonyl∞卸d

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相转化法制备PVDF超滤膜及其亲水化改性研究进展

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

芦艳, 赵国发, 张广洲, 卢大山, LU Yan, ZHAO Guo-fa, ZHANG Guang-zhou, LU Da-shan东北石油大学化学化工学院,黑龙江大庆,163318塑料工业

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