聚氯乙烯(PVC)/磺化聚醚砜(SPES)共混膜的制备及磺化度对膜性能的影响研究

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膜分离技术是一种新型、高效的分离技术,因其分离效率高、无二次污染、能耗低等优点而备受关注。聚氯乙烯(PVC)作为第二大合成材料,具有廉价易得、化学稳定性好、耐微生物侵蚀等优点,因此在新型膜材料的开发领域中引起了人们的关注。但是PVC存在疏水性较强、不耐污染、成膜性能差等缺点,因此在亲水性和柔韧性方面需要改性。磺化聚醚砜(SPES)不仅具有膜材料聚醚砜(PES)成膜性能优良、柔韧性好的优点,而且具有较强的亲水性,但是价格较昂贵。因此通过溶液共混的方法,将PVC与SPES共混,能够将PVC和SPES的优点结合到一起,从而开发出价格便宜、性能优良的新型膜材料。本论文首先采用发烟硫酸磺化法制备了不同磺化度的磺化聚醚砜(SPES),然后采用溶解度参数理论法、剪切粘度法、傅里叶红外光谱法(ATR-FITR)和玻璃化转变温度法(Tg)的方法对聚氯乙烯(PVC)/磺化聚醚砜(SPES)二元共混体系的相容性及磺化度对体系相容性的影响进行了研究。在此基础上采用溶剂-非溶剂扩散诱导相分离方法制备了PVC/SPES共混膜,通过研究不同共混比下共混膜的断面和表面微观结构及共混膜的性能(水通量、截留率、拉伸强度、亲水性和耐污染性),确定了最佳共混比。在确定最佳共混比的基础上,探讨了SPES的不同磺化度对PVC/SPES共混膜的微观结构和膜性能的影响。通过研究得到如下结论:1.相容性研究结果表明,PVC/SPES为部分相容体系,其中共混比为9/1、8/2、7/3、2/8、1/9时相容性较好,磺化度对共混体系相容性影响不大。2.在PVC/SPES共混比为10/0到0/10的范围内,PVC/SPES共混膜的断面微观结构由典型的非对称多孔结构变为杂乱无章的结构,再由杂乱无章的结构变为典型的非对称多孔结构,这是共混体系在不同共混比下的相容性不同所致。共混比PVC/SPES为10/0、9/1、8/2、7/3、2/8、1/9及0/10时,PVC/SPES共混膜的断面微观结构为典型的非对称多孔结构,其它共混比下,PVC/SPES共混膜的断面微观结构为杂乱无章的结构。PVC/SPES共混膜水通量随着共混体系中SPES含量的增大,呈先升高后降低趋势,在共混比为4/6时水通量达到最大值;PVC/SPES共混膜的亲水性随着共混体系中SPES含量的增大急剧升高,共混比为7/3时,即共混体中SPES含量达到30%时,共混膜的亲水性趋于稳定,即继续增加SPES的含量,共混膜的亲水性趋于不变,这种现象是由于磺酸基团与水分子的强烈作用,导致磺酸基团在膜表面聚集,即表面层析现象所致。因此就改善PVC/SPES共混膜的亲水性方面来看,SPES在共混体系中的含量达到30%就足够了,否则会使膜的成本增加。PVC/SPES共混膜的机械性能均优于纯PVC膜。耐污染实验结果表明,共混比为8/2和7/3的PVC/SPES共混膜均具有较好的耐污染性能,反冲洗后二者的污水稳定通量基本持平,但是8/2的共混膜比7/3的共混膜具有更高的截留率和机械性能,因此综合考虑共混膜微观结构以及性能测试结果,PVC/SPES共混膜的最佳共混比为8/2。3. SPES的磺化度对PVC/SPES共混膜的断面和表面微观结构和性能影响研究结果表明,随着磺化度的提高,共混膜断面结构中指状孔孔径增大,海绵状结构增多;膜的表面微孔数目增多,孔径略有增大;随着磺化度的提高,PVC/SPES共混膜水通量大幅提高,而截留率略有减小;另外,随着磺化度的增大,膜的机械性能、亲水性和耐污染性能都有很大程度的改善。在共混比为8/2的情况下,当磺化度从4.1%升高到16.9%时,共混膜的水通量由56.74L/(m2·h)升高到115L/(m2·h),此时共混膜的机械性能、亲水性和耐污染性能的综合性能最好。综合考虑不同磺化度时共混膜的性能,在所考察的磺化度范围内,提高磺化度有助于改善共混膜的性能。
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