聚偏氟乙烯-纳米无机粒子中空纤维复合超滤膜制备及其表征.doc

化学工程专业优秀论文化学工程专业优秀论文 聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯- -纳米无机粒子中空纤维复合超纳米无机粒子中空纤维复合超滤膜制备及其表征滤膜制备及其表征关键词：聚偏氟乙烯关键词：聚偏氟乙烯 纳米无机粒子纳米无机粒子 中空纤维复合超滤膜中空纤维复合超滤膜 溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法 共混法共混法 制备方法制备方法摘要：本文采用共混法和溶胶.凝胶(Sol-Gel)法，利用非溶剂致相分离(NIPS) 法制备聚偏氟乙烯(PVDF)-纳米无机粒子(Al2O3、TiO2. SiO2)中空纤维复合超 滤(UF)膜，并运用 SEM、EDX、TGA、DSC、XRD、FTIR、AFM、机械性能、水接触 角、通量和截留率等方法表征了复合膜的结构和性能，同时对 PVDF-纳米无机 粒子复合膜成膜过程热力学和动力学分相行为进行了分析研究 首先，采用 共混法湿纺 PVDF-Al2O3 中空纤维共混 UF 膜纳米 Al2O3 粒子的加入提高了铸 膜液粘度，共混膜皮层孔隙率增加，粒子聚集体周围易形成微孔；纯 PVDF 膜具 有较低的 α 相结晶度，而共混膜中主要为 β 相，且结晶度增大；共混膜的机 械强度提高而柔韧性降低。

添加适量纳米 Al2O3 粒子(3wt.％)能有效改善膜的 亲水性，提高渗透通量 其次，在 PVDF 铸膜液中添加纳米 TiO2 粒子和 TiO2 溶胶，采用共混法和 Sol-Gel 法，湿纺 PVDF-TiO2 中空纤维复合 UF 膜 PVP 充当带有锚固基团的聚合物，有效防止纳米无机粒子团聚共混膜的断面 指状孔比纯 PVDF 膜(M-O)少当 TiO2 含量为 1wt.％(MT-3)时，共混膜的水接 触角为 58.4#176;，纯水通量由 M-0 膜的 81.6L·h-1·m-2 提高到 150L·h-1·m-2TiO2 溶胶中，以盐酸为催化剂，二甲基甲酰胺(DMF)作为溶 剂同时也为钛酸四正丁酯(TBT)的鳌合剂，起到了控制水解速率的作用Sol- Gel)-NIPS 法制备的 PVDF-TiO2 复合膜中，膜断面的非对称性结构随 TBT 含量 的增加而减弱复合膜中出现了锐钛矿 TiO2 的衍射特征峰当 TBT 含量为 4.5wt.％(MTBT-4)时，复合膜的水接触角为 34.9#176;，纯水通量为 244L·h-1·m-2M-0、MT-3 和 MTBT-4 的断裂强度和断裂伸长率分别为 1.71MPa 和 161.9％、2.16MPa 和 120.2％、2.26MPa 和 123.7％。

M-0、MT-3 和 MTBT-4 的热分解温度和熔点温度分别为 428.1℃和 160.8℃、459.2℃和 173.5℃、491.2℃和 177.3℃MT-3 和 MTBT-4 的 JL/Jw 与通量衰减系数 m 分别 为 0.84 和 0.48、0.88 和 0.28 再次，采用共混法和 Sol-Gel 法，在 PVDF 铸膜液中添加纳米 SiO2 粒子和 SiO2 溶胶，利用 NIPS 法制备 PVDF-SiO2 中空纤 维复合 UF 膜纯 PVDF 膜(M-0)的水接触角 θ 和渗透通量 Jw 分别为 79.1#176;和 81.6L·h-1·m-2，而 MS-3(3wt.％SiO2)和 MTEOS- 3(3wt.％TEOS)复合膜的 θ 和 Jw 分别 68.7#176;和 160L·h-1·m- 2、53.4#176;和 301L·h-1·m-2 随后，湿纺 PVDF- TiO2/SiO2/Al2O3(共混法)、PVDF-TiO2/SiO2(共混法)和 PVDF-TiO2/SiO2(Sol- Gel 法)中空纤维复合 UF 膜PVDF-TiO2/SiO2/Al2O3 共混膜与 PVDF-TiO2/SiO2 共混膜相比，具有更好的力学性能、亲水性、渗透通量和抗污染能力。

Sol-Gel 法制备的 PVDF-TiO2/SiO2 复合膜的水接触角最小，亲水性最强，渗透通量最大 多孔 SiO2 有助于提高复合膜的成膜性和热稳定性高硬度的 γ-Al2O3 有利于 改善 PVDF 膜的力学性能和亲水性自洁净型锐钛矿 TiO2 有助于增强 PVDF 膜的 β 相结晶度和抗污染性 最后，对复合膜的成膜机理进行了初步探讨 Sol-Gel 法制备的复合膜中，纳米无机粒子均匀而个别地分散在聚合物基体中，成为高分子链之间的联接点，形成三维网络交联结构，其表面富集的羟基与高 分子之间形成氢键聚合物和无机相之间强烈的相互作用，显著改善了复合膜 的综合性能而共混法制备的复合膜中，无机粒子以无规的分散状态存在，易 发生团聚现象，造成应力集中而不利于聚合物与无机相之间的相互作用力，导 致复合体系性能的下降纳米无机粒子的加入，使铸膜液的浊点线趋近聚合物- 溶剂轴，降低了体系对非溶剂的容纳能力，使其成为热力学不稳定体系，加速 液-液相分离的发生亲水性无机粒子促进了溶剂和凝胶剂之间的物质交换，加 快体系的凝胶分相过程而当无机含量过高时，铸膜液粘度急剧变大，增加了 溶剂与凝胶剂之间的扩散阻力，从而减慢了铸膜液的凝胶速度。

正文内容正文内容本文采用共混法和溶胶.凝胶(Sol-Gel)法，利用非溶剂致相分离(NIPS)法 制备聚偏氟乙烯(PVDF)-纳米无机粒子(Al2O3、TiO2. SiO2)中空纤维复合超滤 (UF)膜，并运用 SEM、EDX、TGA、DSC、XRD、FTIR、AFM、机械性能、水接触角、 通量和截留率等方法表征了复合膜的结构和性能，同时对 PVDF-纳米无机粒子 复合膜成膜过程热力学和动力学分相行为进行了分析研究 首先，采用共混 法湿纺 PVDF-Al2O3 中空纤维共混 UF 膜纳米 Al2O3 粒子的加入提高了铸膜液 粘度，共混膜皮层孔隙率增加，粒子聚集体周围易形成微孔；纯 PVDF 膜具有较 低的 α 相结晶度，而共混膜中主要为 β 相，且结晶度增大；共混膜的机械强 度提高而柔韧性降低添加适量纳米 Al2O3 粒子(3wt.％)能有效改善膜的亲水 性，提高渗透通量 其次，在 PVDF 铸膜液中添加纳米 TiO2 粒子和 TiO2 溶 胶，采用共混法和 Sol-Gel 法，湿纺 PVDF-TiO2 中空纤维复合 UF 膜PVP 充当 带有锚固基团的聚合物，有效防止纳米无机粒子团聚。

共混膜的断面指状孔比 纯 PVDF 膜(M-O)少当 TiO2 含量为 1wt.％(MT-3)时，共混膜的水接触角为 58.4#176;，纯水通量由 M-0 膜的 81.6L·h-1·m-2 提高到 150L·h- 1·m-2TiO2 溶胶中，以盐酸为催化剂，二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂同时也 为钛酸四正丁酯(TBT)的鳌合剂，起到了控制水解速率的作用Sol-Gel)-NIPS 法制备的 PVDF-TiO2 复合膜中，膜断面的非对称性结构随 TBT 含量的增加而减 弱复合膜中出现了锐钛矿 TiO2 的衍射特征峰当 TBT 含量为 4.5wt.％(MTBT-4)时，复合膜的水接触角为 34.9#176;，纯水通量为 244L·h-1·m-2M-0、MT-3 和 MTBT-4 的断裂强度和断裂伸长率分别为 1.71MPa 和 161.9％、2.16MPa 和 120.2％、2.26MPa 和 123.7％M-0、MT-3 和 MTBT-4 的热分解温度和熔点温度分别为 428.1℃和 160.8℃、459.2℃和 173.5℃、491.2℃和 177.3℃MT-3 和 MTBT-4 的 JL/Jw 与通量衰减系数 m 分别 为 0.84 和 0.48、0.88 和 0.28。

再次，采用共混法和 Sol-Gel 法，在 PVDF 铸膜液中添加纳米 SiO2 粒子和 SiO2 溶胶，利用 NIPS 法制备 PVDF-SiO2 中空纤 维复合 UF 膜纯 PVDF 膜(M-0)的水接触角 θ 和渗透通量 Jw 分别为 79.1#176;和 81.6L·h-1·m-2，而 MS-3(3wt.％SiO2)和 MTEOS- 3(3wt.％TEOS)复合膜的 θ 和 Jw 分别 68.7#176;和 160L·h-1·m- 2、53.4#176;和 301L·h-1·m-2 随后，湿纺 PVDF- TiO2/SiO2/Al2O3(共混法)、PVDF-TiO2/SiO2(共混法)和 PVDF-TiO2/SiO2(Sol- Gel 法)中空纤维复合 UF 膜PVDF-TiO2/SiO2/Al2O3 共混膜与 PVDF-TiO2/SiO2 共混膜相比，具有更好的力学性能、亲水性、渗透通量和抗污染能力Sol-Gel 法制备的 PVDF-TiO2/SiO2 复合膜的水接触角最小，亲水性最强，渗透通量最大 多孔 SiO2 有助于提高复合膜的成膜性和热稳定性高硬度的 γ-Al2O3 有利于 改善 PVDF 膜的力学性能和亲水性。

自洁净型锐钛矿 TiO2 有助于增强 PVDF 膜的 β 相结晶度和抗污染性 最后，对复合膜的成膜机理进行了初步探讨 Sol-Gel 法制备的复合膜中，纳米无机粒子均匀而个别地分散在聚合物基体中， 成为高分子链之间的联接点，形成三维网络交联结构，其表面富集的羟基与高 分子之间形成氢键聚合物和无机相之间强烈的相互作用，显著改善了复合膜 的综合性能而共混法制备的复合膜中，无机粒子以无规的分散状态存在，易 发生团聚现象，造成应力集中而不利于聚合物与无机相之间的相互作用力，导 致复合体系性能的下降纳米无机粒子的加入，使铸膜液的浊点线趋近聚合物-溶剂轴，降低了体系对非溶剂的容纳能力，使其成为热力学不稳定体系，加速 液-液相分离的发生亲水性无机粒子促进了溶剂和凝胶剂之间的物质交换，加 快体系的凝胶分相过程而当无机含量过高时，铸膜液粘度急剧变大，增加了 溶剂与凝胶剂之间的扩散阻力，从而减慢了铸膜液的凝胶速度 本文采用共混法和溶胶.凝胶(Sol-Gel)法，利用非溶剂致相分离(NIPS)法制备 聚偏氟乙烯(PVDF)-纳米无机粒子(Al2O3、TiO2. SiO2)中空纤维复合超滤(UF) 膜，并运用 SEM、EDX、TGA、DSC、XRD、FTIR、AFM、机械性能、水接触角、通 量和截留率等方法表征了复合膜的结构和性能，同时对 PVDF-纳米无机粒子复 合膜成膜过程热力学和动力学分相行为进行了分析研究。

首先，采用共混法 湿纺 PVDF-Al2O3 中空纤维共混 UF 膜纳米 Al2O3 粒子的加入提高了铸膜液粘 度，共混膜皮层孔隙率增加，粒子聚集体周围易形成微孔；纯 PVDF 膜具有较低 的 α 相结晶度，而共混膜中主要为 β 相，且结晶度增大；共混膜的机械强度 提高而柔韧性降低添加适量纳米 Al2O3 粒子(3wt.％)能有效改善膜的亲水性， 提高渗透通量 其次，在 PVDF 铸膜液中添加纳米 TiO2 粒子和 TiO2 溶胶， 采用共混法和 Sol-Gel 法，湿纺 PVDF-TiO2 中空纤维复合 UF 膜PVP 充当带有 锚固基团的聚合物，有效防止纳米无机粒子团聚共混膜的断面指状孔比纯 PVDF 膜(M-O)少当 TiO2 含量为 1wt.％(MT-3)时，共混膜的水接触角为 58.4#176;，纯水通量由 M-0 膜的 81.6L·h-1·m-2 提高到 150L·h- 1·m-2TiO2 溶胶中，以盐酸为催化剂，二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂同时也 为钛酸四正丁酯(TBT)的鳌合剂，起到了控制水解速率的作用Sol-Gel)-NIPS 法制备的 PVDF-TiO2 复合膜中，膜断面的非对称性结构随 TBT 含量的增加而减 弱。

复合膜中出现了锐钛矿 TiO2 的衍射特征峰当 TBT 含量为 4.5wt.％(MTBT-4)时，复合膜的水接触角为 34.9#176;，纯水通量为 。