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本文采用热致相分离(TIPS)法,依据聚合物/无机物粒子共混界面相分离理论,以聚己内酰胺(PA6)为聚合物基质相,微米SiO2为无机物粒子分散相、N-乙基邻、对甲苯磺酰胺(N-E-O/PTSA)/聚乙二醇20000(PEG20000)/吐温80(Tween80)为复合稀释剂,制备了PA6/SiO2平板膜。在此基础上,以PA6为聚合物基质相,CaCO3为无机物粒子分散相,N-E-O/PTSA为稀释剂,采用冻胶纺丝法制备了PA6/CaCO3中空纤维膜。
首先,从稀释剂的选择入手,通过差示扫描量热(DSC)分析与热重(TG)分析,研究了聚合物/稀释剂体系相容性,结果显示N-E-O/PTSA与PA6相容性较差,但在高温下通过连续搅拌,两者可形成宏观均相溶液,因此,N-E-O/PTSA适宜做TIPS法制备PA6膜的稀释剂。傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析结果表明,萃取后的膜样品中几乎不含稀释剂,无水乙醇适宜做N-E-O/PTSA的萃取剂。
对PA6/SiO2平板膜的结构与性能进行表征,结果表明:
(1)膜断面呈现明显的非对称结构,靠近上表面部分孔结构紧密,靠近下表面部分为疏松的蜂窝状结构。随SiO2含量增加,上表面由致密无孔结构转变为大球簇状聚集体结构,聚集体之间存在孔隙,下表面孔数增多;过量的SiO2会堵塞部分孔,且随SiO2含量增加,断面结构由非对称蜂窝状结构变为致密结构。
(2)随SiO2含量SiO2增加,膜的纯水通量、泡点孔径、孔隙率都先增大后减小,而截留率呈相反趋势。同时,凝固浴温度对PA6/SiO2平板膜有很大影响,在20℃-60℃范围内,纯水通量随凝固浴温度的增加而增大。
本文还制备了PA6/CaCO3中空纤维膜,探讨了聚合物浓度、CaCO3含量、后拉伸、定长热定型、凝固浴温度、操作压力以及萃取方式对纤维膜结构与性能的影响,结果表明:
(1)随聚合物浓度提高,纤维膜内表面由狭缝孔结构转变为致密无孔结构,膜纯水通量、孔隙率与泡点孔径都显著减小。
(2)随CaCO3粒子添加量增加,纤维膜内表面由疏松不连续结构变为有狭缝孔的完整结构,外表面结构都较致密,但纤维膜表面CaCO3须状聚集体逐渐增多,断面蜂窝状结构孔隙率逐渐降低,膜纯水通量和孔隙率呈先增大后减小的趋势,而泡点孔径呈相反趋势。
(3)拉伸后,界面孔进一步扩张形成大量眼状相界面分离,水通量、孔隙率与泡点孔径均显著增大。
(4)定长热定型能提高纤维膜的纯水通量,确保膜分离性能的稳定性;
(5)随凝固浴温度的增加,纤维膜水通量先增大后减小;
(6)纤维膜纯水通量随操作压力增大而线性增加,遵循Hagen-Poiseuille方程;
(7)纤维膜制备后期采用了四种萃取方式,其中采用紧张萃取后拉伸的方式制备的纤维膜具有最大的纯水通量。