高性能聚偏氟乙烯中空纤维膜制备

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中空纤维膜因其较多的优点广泛应用于超微滤、膜蒸馏等过程中。但在规模化应用过程中发现,膜强度和膜污染是影响膜系统稳定运行的主要问题。中空纤维膜在气流和水流的冲击下容易出现断丝的现象,而且不可避免的浓差极化和膜污染现象使得通量下降,膜组件使用寿命缩短,因此开发高强度和耐污染的中空纤维膜具有很大的应用价值。为此,本文首先研究了熔融纺丝工艺与纤维结构和性能的关系,得到了高强度PVDF纤维;其次以三芯复合的方式制备了高强度中空纤维膜;然后在三芯膜基础上研制出异径膜,提高其耐污染性能。  为得到高拉伸强度的聚偏氟乙烯(PVDF)纤维,通过正交实验和单因素实验,研究了熔融纺丝法制备PVDF纤维的工艺条件,并利用热分析(DSC)、红外光谱法(FTIR)、X-射线衍射(XRD)和拉伸实验研究了纤维的晶体结构、晶区取向和力学性能。研究结果表明:纺丝过程中影响纤维拉伸强度的因素主次顺序为卷绕速率>喷头温度>喷头尺寸>入水距离;纤维拉伸强度随着冷拉伸倍数的增大而提高。  采用非溶剂致相分离(NIPS)法,通过特殊结构喷丝头纺制了三芯PVDF中空纤维膜,考察了入水距离、壁厚和喷头结构对三芯膜形态结构和基本性能(包括超滤水通量、最大孔径、破裂压力、透气系数、膜蒸馏通量、断裂强力和断裂伸长率)的影响,得到了分离性能和机械性能均较优的三芯PVDF中空纤维膜。  在三芯膜制备工艺基础上,通过蠕动泵控制纺丝芯液流量呈周期性变化,制备出了内径呈周期性波动的异径三芯PVDF中空纤维膜,考察了内径比、波动周期和等效壁厚对异径三芯膜基本性能的影响。结果表明:异径三芯膜相比等径三芯膜分离性能提高,而机械性能下降;异径三芯膜因其特殊的内部流道设计,有助于减弱浓差极化效应,达到抑制膜污染的目的。
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