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《华南理工大学》 2011年
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热致相分离法制备聚偏氟乙烯微孔膜的研究

熊璞  
【摘要】:随着膜分离技术的发展,人们对膜材料的性能不断提出新的要求,如何提高膜的强度和通量已成为膜制备的关键问题。本文以聚偏氟乙烯(Vinylidene fluoride,PVDF)作为材料,采用热致相分离法制备强度及通量优良的平板膜,重点考察了稀释剂及其配比、纳米粒子、结晶温度等参数对膜微观结构和分离性能的影响,研究了三元铸膜体系相图和热力学过程,探讨热致相变制备PVDF膜成型机理。主要研究内容和结论如下: 1、开展稀释剂与PVDF的相容性研究。通过十种试剂与聚偏氟乙烯(PVDF)进行相溶性实验,确定DMP是合适的稀释剂。在制备稀释剂-PVDF体系平板膜的过程中,对膜断面形态结构的研究可知,膜结构表现出非对称性。 2、进行稀释剂和溶剂的混合溶剂制备PVDF微孔膜的研究。以邻苯二甲酸二甲酯(DMP)和N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)作为混合稀释剂,采用热致相分离法制备聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜,并用扫描电镜、差示扫描量热分析仪、拉伸仪等手段对膜结构和性能进行了研究。结果表明:随着混合稀释剂中DMP含量的增加,膜强度参数先增大,后减小。水通量与DMP含量成正比,而截留率与之成反比。当混合稀释剂中DMP含量较低时,结晶表面有封闭孔,结晶不均匀。当DMAc与DMP比例为1:1时,可得到结晶均匀,晶体间联系较紧密的膜。当混合稀释剂DMAc与DMP比例为1:2时,膜强度以及水通量均比单纯采用DMP做稀释剂时的好,其中,水通量达到247L/h·m2,比后者增加了28%,在不改变强度条件下达到了提高膜通量的目的。 3、研究无机纳米粒子对膜结构和性能的影响。添加纳米粒子的含量对膜结构影响十分显著。当未添加CaCl_2粒子时,膜断面呈现大球状结构,并且球表面为多孔形态,存在液-液分相特征的海绵状孔;增加铸膜液中CaCl_2粒子的添加量,海绵状孔逐渐消失,孔结构由液-液分相特征的海绵状向固-液分相为主的晶粒转变,且晶粒尺寸减小,分布较均匀,膜断面结构中的球状聚集体结构边界变得模糊,出现了连续聚集体结构;加入CaCl_2粒子后产生了大量界面孔,这有利于膜水通量的迅速提高。纳米粒子含量的变化对孔隙率的影响不大,在添加5%的时候,孔隙率最大。随着纳米粒子含量的增加,膜的水通量增加,其截留率与之相反,在纳米粒子含量达到7%后,两者的变化不明显;当CaCl_2含量增加到大约9%时,膜的水通量开始减少。随着纳米粒子含量的增加,膜强度逐渐减小。 4、采用响应曲面法对制备工艺进行优化,建立以膜强度和水通量为目标函数的预测模型。经过优化后,保证强度的最佳工艺参数为:PVDF的质量分数为44%,CaCl_2的质量分数为4.7%,温度为49.5℃。此时,膜强度为29.8MPa,水通量为174L/m2?h,截留率为75%,膜强度误差率为1.81%,水通量误差率为0.81%。对膜断面的不同部分的晶粒进行X-射线能谱分析,Ca元素的平均重量比为0.41%。 5、研究PVDF含量和不同冷却过程对膜结构和性能影响。研究发现,不同PVDF含量都可形成了比较明显的球晶结构。随着浓度的增加,球晶越来越明显,球晶上的微孔变化不大;球晶间的空洞随着PVDF含量的增大而减小,球晶结合更加紧密。PVDF含量为20%和30%时,能够形成相互连接良好、孔径大小均匀的孔结构;PVDF含量为40%时,孔结构连接不好,相互独立,且孔的数量明显减小,在此浓度范围内,能明显看到聚合物球晶,在聚合物浓度较高时,稀释剂对聚合物的结晶破坏大大减少;随着PVDF含量的增加,孔隙率也是减小的。研究还发现,随着淬冷温度的增加,所得孔径与球晶尺寸呈逐渐增大的趋势,稀释剂流动性的提高,球晶内的孔径减小,而球晶间的孔径增大。体系的淬冷温度越低,PVDF的流动性越低,球晶尺寸越小,球晶尺寸越规整。不同淬冷温度下制备的膜的孔隙率变化不大,所制备的膜的水通量随着淬冷温度的增加而增加,截留牛血清蛋白分子的截留率随之下降。相同温度但不同冷却介质下孔隙率变化不大,20℃空气水通量比20℃纯水的高,截留率则反之。PVDF/DMP/DMAc三元体系制膜,在50℃淬冷3min时,液滴的生长几乎停止,孔径大小不再有明显的变化,随着淬冷时间的延长,致密的内外表面越来越明显。 6、从热力学角度探讨热致相变法制备PVDF膜过程。通过对PVDF/DMP/DMAc体系的相图分析可知,随着体系PVDF浓度的增加,从液-液相分离线到结晶温度线的距离缩短,富溶剂液滴相粗化过程的时间逐渐变短,结晶度下降。三元体系的结晶温度变化较小,偏晶点在PVDF质量分数为30%~35%区间内,从而使体系在降温过程中液滴生长时间较长。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ325.4

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