納米SiO2改性聚乙烯醇超濾膜的研究

尹 麗，孟學(xué)林，周秋民

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

膜污染是影響超濾膜應(yīng)用領(lǐng)域的主要障礙，因而耐污染超濾膜的制備已成為了當(dāng)前膜研究的熱點(diǎn)。黃征青等[1]和李娜等[2]分別對(duì)膜污染的機(jī)理、解決膜污染的辦法以及耐污染膜的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并指出對(duì)現(xiàn)有膜材料進(jìn)行改性是解決膜污染的常用方法之一，即通過(guò)在膜材料上引入親水性基團(tuán)，從而減少膜對(duì)污染性物質(zhì)的吸附。

聚乙烯醇(PVA)由聚乙酸乙烯酯經(jīng)醇解反應(yīng)而制得，是一種含有大量羥基的聚合物，具有高度的親水性、較好的耐酸性、良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種頗具吸引力的膜材料。與其它膜材料相比,PVA 有更好的抗蛋白污染性，因而PVA作膜材料的研究備受人們關(guān)注[3～6]。但PVA 基膜易溶脹，不耐壓，強(qiáng)度差，易蠕變，大大限制PVA 膜的應(yīng)用。要獲取性能更優(yōu)的PVA 膜，必須對(duì)其進(jìn)行改性。研究表明，將具有高彈性、低密度、高韌性的有機(jī)材料和具有高表面強(qiáng)度、高模量等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)機(jī)材料有效地結(jié)合在一起，可以得到一種新型的具有優(yōu)良性能的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料，此時(shí)膜的強(qiáng)度和壽命增加，膜的滲透性和抗污染性得到提高。納米SiO2是一種輕質(zhì)超細(xì)非晶固體材料，由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，使納米SiO2具有很強(qiáng)的親和力，能與很多高聚物材料產(chǎn)生很強(qiáng)的界面作用，表現(xiàn)出優(yōu)越的綜合性能。姜云鵬等[7～9]將納米級(jí)分散的納米SiO2溶膠加入PVA 水溶液中，制備了納米SiO2/復(fù)合膜，所制得的膜既保留了PVA 親水性，具有較強(qiáng)的抗污染能力，又保留了SiO2納米材料的強(qiáng)度和韌性，彌補(bǔ)了PVA 濕膜強(qiáng)度低，不耐壓的缺陷。為了更深入地對(duì)納米SiO2與PVA 復(fù)合膜進(jìn)行研究，本文將從PEG 的分子量、納米SiO2的加入量和PEG 加入量來(lái)考察經(jīng)納米SiO2改性的聚乙烯醇超濾膜的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

聚乙烯醇（PVA，平均聚合度為1750±50），聚乙二醇（PEG），納米SiO2（自制）。

CL-3 型恒溫加熱磁力攪拌器，JJ300 型電子天平，W-56 型萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)。

1.2 納米SiO2乳液的制備

一定溫度下，將一定量的NaSiO3·9H2O 溶液，在機(jī)械攪拌作用下，滴加到裝有鹽酸、成核劑（AlCl3）與分散劑（EDTA）的錐形瓶中，加入NaCl溶液，生成SiO2溶膠。后將SiO2溶膠滴加到含有改性劑的另一部分NaSiO3·9H2O 溶液中，反應(yīng)一定時(shí)間，陳化30min，得納米SiO2乳液。

1.3 膜的制備

將PVA 溶解于水中，加熱并攪拌至其全部溶解后，在PVA 溶液中加入不同質(zhì)量的SiO2乳液，繼續(xù)攪拌4h 后，再向其混合液中加入不同分子量和不同質(zhì)量的PEG（根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案而定），繼續(xù)加熱、攪拌數(shù)小時(shí)。實(shí)驗(yàn)完成后，膜液在室溫下靜置24h 脫氣，然后將膜液在玻璃板上刮成膜,放入Na2SO4飽和水溶液中過(guò)夜,使其充分凝固成膜。把所得膜用去離子水洗凈、浸泡待用。

1.4 膜的性能測(cè)試

1.4.1 水通量

將膜用去離子水洗凈后，采用杯式超濾裝置在0.1MPa 壓力下測(cè)定其水通量。

1.4.2 力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)制備的膜通過(guò)W-56 型萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑PEG 分子量對(duì)PVA 膜性能的影響

采用不同分子量的PEG 作為添加劑，在PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，且m(PEG)：m(PVA)=0.15，納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，考察了不同分子量的PEG 對(duì)PVA 膜的影響，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，隨著PEG 分子量的增大，PVA 膜的水通量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樵诜肿恿枯^小時(shí),PEG 很難破壞PVA 分子之間的作用力,干燥成膜時(shí)得到較小的聚集膠束，從而形成較小的膜孔徑，水通量也就相應(yīng)減小。本文從水通量的角度考慮，后面的實(shí)驗(yàn)選擇分子量為1000 的PEG 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 PEG 分子量對(duì)PVA 膜性能的影響Fig.1 Effect of molecular weight of PEG on the performance of PVA membrane

2.2 納米SiO2的加入量對(duì)PVA 膜性能的影響

圖2 表示了在固定PVA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，且m(PEG)：m(PVA)=0.15，不同納米SiO2的加入量對(duì)PVA 膜性能的影響。從圖2 可看出,隨著納米SiO2加入量的增大，水通量有下降的趨勢(shì)，特別是在納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%后，水通量下降的速度更快。這可能是由于SiO2含量的增加,使鑄膜液的粘度增大,溶劑的外擴(kuò)散速率降低,膜的形成過(guò)程減慢,表皮層變厚的緣故。

圖2 納米SiO2的加入量對(duì)PVA 膜性能的影響Fig.2 Effect of nano-SiO2addition on the performance of PVA membrane

2.3 PEG 加入量對(duì)PVA 膜性能的影響

圖3 表示了在固定PVA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，不同PEG 的加入量對(duì)PVA 膜性能的影響。由圖3 可看出，水通量隨著PEG 加入量的增大而增大。這可能是隨著PEG 加入量的增大，膜的表皮層孔隙率增大的緣故。

圖3 PEG 加入量對(duì)PVA 膜性能的影響Fig.3 Effect of PEG addition on the performance of PVA membrane

2.4 膜的力學(xué)性能

圖4 納米SiO2的加入量對(duì)PVA 超濾膜拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of nano-SiO2addition on the tensile strength of PVA membrane

圖5 納米SiO2的加入量對(duì)PVA 超濾膜扯斷伸展率的影響Fig.4 Effect of nano-SiO2addition on the tensile elongation of PVA membrane

不同納米SiO2加入量改性的PVA 膜的的綜合力學(xué)性能如圖4 和圖5 所示。從圖4 和圖5 可以看出，隨著納米SiO2加入量的增加，PVA 膜的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率先是不斷增大，然后下降。即在納米SiO2加入量較小時(shí)（低于3%），隨著納米SiO2加入量的增加，PVA 膜的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率不斷增大；當(dāng)納米SiO2加入量達(dá)到3%時(shí)，隨著納米SiO2加入量的增加，PVA 膜的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率不斷降低。這可能是由于鑄膜液中納米SiO2的含量高于3% 時(shí)部分納米SiO2團(tuán)聚而引起的。總的來(lái)說(shuō)，納米SiO2的加入增大了材料的剛性，提高了材料的耐壓能力。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)納米SiO2改性后的PVA 膜的性能有了顯著的提高；

（2）添加劑PEG 的分子量、納米SiO2的加入量和PEG 加入量對(duì)PVA 膜的性能有顯著影響。膜的水通量隨著PEG 分子量和PEG 加入量的增大而增大，隨著納米SiO2加入量的增大而減小。

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