超疏水高强度PVDF微孔膜的制备与性能研究

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膜污染、膜润湿以及强度低等现象是新型膜接触器在工业推广应用中存在的突出问题。聚偏氟乙烯(PVDF)主要用于疏水膜的制备,但已报道的研究中仍存在疏水性不足、机械性能差或制备过程繁琐等问题。本文提出一种超疏水高强度PVDF微孔膜的制备方法。以PET无纺布为增强体,以水雾诱导+浸没凝胶两步成膜法,通过调控水雾环境条件和水雾诱导时间来调控相分离过程,进而达到调控膜结构与性能,尤其是膜表面结构与疏水性的目的。水雾诱导相分离过程的突出特点在于液态膜所处环境的湿空气过饱和,环境中既有气态水分子,又有大量液态水滴,通过调控水蒸气致相分离与纯水致相分离的权重,优化固-液分相与液-液分相的竞争,使其在膜结构上有利于强疏水性与高机械强度的统一。分别以浸没凝胶相分离、蒸发致相分离、水蒸气诱导相分离和水雾诱导+浸没凝胶相分离四种方法制备膜,以扫描电子显微镜和原子力显微镜分析其结构形态,对两步法成膜机制进行探索。结果发现,水雾环境中的气态水分子使液-液分相得到抑制,为固-液分相的发生提供了充足时间;液态水滴又使整个相分离过程不太缓慢,膜结构不过于松散。液-液分相保证较为紧凑的膜结构,固-液分相有利于聚合物结晶与粗化,使得膜表面呈现粗糙球晶堆积的微纳二重复合阶层结构,该结构是膜具有超疏水性的根本原因。以水雾诱导+浸没凝胶相分离两步法分别考察了无纺布规格、水雾密度、水雾诱导时间和水雾诱导温度对膜结构和性能的影响。结果发现TA3618型PET无纺布为增强体制得的膜表面较平整,无铸膜液渗漏,无明显膜缺陷,且该型号无纺布有助于提高膜疏水性。正交试验结果表明,水雾密度1.65 ml·cm-2·min-1,水雾诱导时间10min,诱导温度40℃为水雾诱导过程参数的较优组合,此条件下制得的膜表面为多孔网络状结晶结构,膜的水接触角为166.5°,滚动角为6°,拉伸强度为31.91MPa,氮气通量为0.437 m3·m-2·s-1。考察了非溶剂含量、固含量和PVDF分子量等对PVDF膜结构与性能的影响。结果表明,非溶剂添加剂正辛醇的含量在6%-10%范围内,膜结构与性能无显著变化;固含量在12.5wt%-20wt%范围内,当固含量增大时,接触角先增大后减小,孔隙率和氮气通量下降;PVDF分子量增大,水接触角和气通量略减小,机械强度略增大。
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