聚四氟乙烯濾膜支撐基布的制備與測試分析

趙志遠，張華鵬,b

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院; b.先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，杭州 310018)

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聚四氟乙烯濾膜支撐基布的制備與測試分析

趙志遠a，張華鵬a,b

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院; b.先進紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室，杭州 310018)

采用聚甲醛長絲和聚四氟乙烯長絲進行交織作為支撐基布，耐腐蝕乙烯酯樹脂作為粘合劑，制備強堿性廢水處理用支撐聚四氟乙烯濾膜。研究了不同交織密度機織支撐基布與聚四氟乙烯微濾膜復(fù)合后對聚四氟乙烯復(fù)合膜的水通量、孔徑變化、剝離強力、硬挺度的變化，研究結(jié)果表明:隨著交織密度增加、樹脂附著量增大，膜孔徑、水通量均有所減小，剝離強力變化最為明顯；22.2 tex×15.6 tex、160×140 根/10 cm的聚四氟乙烯長絲和聚甲醛長絲與聚四氟乙烯膜復(fù)合后綜合性能最好。

聚甲醛長絲；聚四氟乙烯長絲；機織物；支撐基布；復(fù)合膜

0　引　言

膜分離法是常見的工業(yè)廢水處理方法之一，為保證較低的傳質(zhì)阻力和較高的傳質(zhì)效率，大多數(shù)分離膜厚度較薄(厚度一般在亞微米至幾毫米)[1]，其機械強度、尺寸穩(wěn)定性和自支撐性較差，難以直接作為膜組件使用，在實際應(yīng)用中經(jīng)常將分離膜與具有良好機械性能的支撐材料結(jié)合進行分離膜或膜組件的制備來提高膜的機械性能[2-3]。侯勇等[4]嘗試將經(jīng)過硬挺整理的滌綸網(wǎng)眼針織物作為制備反滲透膜的支撐體，以充分利用網(wǎng)眼針織物的高強度、大孔徑；楊峰等[5]以PET無紡布作為支撐基材，制備了海水淡化用反滲透膜支承層；趙岳軒等[6]采用織物編織管作為增強材料，制備聚偏氟乙烯中空纖維膜，以提高膜絲強度和使用壽命。分離膜支撐體應(yīng)具有孔徑和孔隙率大、機械強度高、與分離膜結(jié)合牢度高、對分離膜分離功能影響小等特點。目前，非織造布的快速發(fā)展，國內(nèi)外對非織造布作為支撐及過濾材料的研究居多[7-9]。與非織造布相比，機織物具有機械強度高、孔徑尺寸容易確定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、緊密硬挺，生產(chǎn)方便等優(yōu)勢，用其作為復(fù)合膜的支撐體，復(fù)合膜的厚度減少，力學(xué)性能提高[10-11]。

聚四氟乙烯微孔膜和聚四氟乙烯纖維具有優(yōu)異的耐酸、耐堿、耐腐蝕性，聚甲醛纖維耐堿性優(yōu)異，其制造成本比聚四氟乙烯纖維低2～3倍。本文將聚甲醛長絲和聚四氟乙烯長絲交織，將不同織造密度的機織基布與聚四氟乙烯濾膜通過耐腐蝕性能優(yōu)異的乙烯基酯粘合劑復(fù)合，制備可用于強堿性廢水處理的水過濾用聚四氟乙烯復(fù)合膜，測試復(fù)合膜的各項性能，為低成本、高壽命、強堿性廢水處理用聚四氟乙烯過濾膜支撐基布的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1　實驗部分

1.1材料及儀器

聚甲醛長絲(線密度15.6 tex/40f，強度6.2 cN/dtex，四川紡織研究院)，聚四氟乙烯長絲(線密度22.2 tex/1f，強度8.5 cN/dtex，湖州格爾泰斯環(huán)保特材科技有限公司)，高性能防腐蝕用890乙烯基酯樹脂(上海富晨有限公司)，固化劑過氧化環(huán)己酮(分子量246.3，上海紫一試劑廠)，親水聚四氟乙烯濾膜(平均孔徑0.2 μm，厚度50 μm，空隙率62%，實驗室自制)，直立式壓染樹脂機(廈門瑞比精密機械有限公司)，CFP-1100A型PMI氣孔計、孔隙儀(Capillary Flow Porometer，美國PMI公司)，無水乙醇(分析純，杭州邦易化工有限公司)，燒杯，玻璃棒，電子天平。

本實驗所用樣品規(guī)格如表1所示。其中樣品1-4為平紋組織機織物。

表1　樣品規(guī)格

1.2支撐基布與聚四氟乙烯膜復(fù)合實驗步驟

剪取不同規(guī)格的機織物作為支撐基布，剪取與支撐基布同樣大小的濾膜，分別稱重。將乙烯基酯和無水乙醇質(zhì)量比2.5∶1的配比進行稀釋，稀釋后的溶液和固化劑質(zhì)量比100∶1的配比混合，得到乙烯基酯粘合劑。將基布浸入乙烯基酯粘合劑中，10 min后拿出，在壓染樹脂機上以空氣壓力0.05 MPa擠壓浸漬后的基布，然后將經(jīng)過擠壓的基布在55 ℃溫度下凝膠化5 min，將聚四氟乙烯膜粘貼于基布表面，再放置模板上以0.1 MPa的壓力55 ℃條件下保持15 min。

1.3指標測試

1.3.1復(fù)合膜表面結(jié)構(gòu)測試

采用ULTRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合后織物和復(fù)合膜形態(tài)，掃描電壓3 kV。

1.3.2經(jīng)緯向強力測試

采用YG026D型電子織物強力機參照GB/T 3923.1-2013《紡織品織物拉伸性能》測試方法中拆邊紗條樣法測試各種規(guī)格的機織物經(jīng)緯向強力。

1.3.3硬挺度測試

采用LLY-01型電子硬挺度儀參照GB/T 18318.1-2009《紡織品彎曲性能的測定》測試復(fù)合前后膜的硬挺度。

1.3.4剝離強力測試

采用YG026D型電子織物強力機參照FZ/T 01085-2009《熱熔粘合襯剝離強力試驗方法》測試復(fù)合膜的剝離強力。

1.3.5水通量測試

利用實驗室自制水通量儀測試復(fù)合前后膜的水通量。本文研究所測得的膜的純水通量是壓力為0.1 MPa下，單位時間內(nèi)通過單位膜面積的純水流量，并按式(1)計算膜的水通量：

J=V/(A×t)

(1)

其中：J為膜的純水通量，L/(m2·h)；V為透過液體積，m3；A為膜的有效面積，m2；t為測試時間，h。

1.3.6膜孔徑分析

采用PMI氣孔計、孔隙儀測試聚四氟乙烯膜和復(fù)合膜的平均孔徑。試樣大小4.91 cm2，試樣壓力0.5 MPa，氮氣壓力0.5 MPa。每組樣品測試5次取平均值作為測試結(jié)果。

2　分析與討論

2.1復(fù)合膜電鏡圖

膜復(fù)膜的電鏡照片如圖1所示，圖 (a)、(b、(c)、(d) 分別為紗線表面、紗線交織點、織物表面和膜表面狀態(tài)。從圖1 (a)、(b) 中可以看到紗線表面有一層乙烯基酯包覆，從圖1(c) 中可以看出樹脂大部分處在紗線表面，基本沒有堵塞基布中紗與紗之間的空隙，從而保證復(fù)合后膜孔不被堵塞，從圖1(d) 中可以看出樹脂沒有透過膜表面，而是處于膜與基布之間，保證樹脂的粘合作用的同時，盡可能少的破壞膜的過濾性能。

圖1　復(fù)合膜的電鏡照片

2.2不同機織基布經(jīng)緯向強力對比

用經(jīng)線為聚四氟乙烯長絲，緯線為聚甲醛長絲交織織造的不同機織基布經(jīng)緯向強力如圖2所示，從圖2中可以看出：在所用原料相同的情況下，經(jīng)緯向強力均隨著各自密度的增大而增加；樣品1和樣品2的規(guī)格相同，但是，樣品1緯線采用聚四氟乙烯長絲，樣品2緯線采用聚甲醛長絲，聚四氟乙烯長絲強力大于聚甲醛長絲強力，故樣品1緯向強力大于樣品2緯向強力。

圖2　不同機織基布的經(jīng)緯向強力

2.3復(fù)合膜增重率的變化

不同規(guī)格復(fù)合膜增重率的變化如圖3所示。從圖3中可以看出：160×140 根/10 cm PTFE/PTFE機織布上乙烯基酯的附著最少，這是因為聚四氟乙烯紗線為單絲紗線，比較硬，表面摩擦很小，與乙烯基酯的親和不好，從而使乙烯基酯難以附著；PTFE/POM交織機織布的增重率明顯增大，由于聚甲醛紗線為復(fù)絲紗，較松軟，與乙烯基酯的親和能力比聚四氟乙烯強，兩種紗線交織后有軟硬交錯產(chǎn)生的結(jié)點能更好的使乙烯基酯附著；隨著交織機織物密度的增大，復(fù)合膜的增重率有所增加，這是因為隨著密度的增大經(jīng)緯向交織次數(shù)增多，交織的結(jié)點增多，使得乙烯基酯附著的比表面積增大。

圖3　不同復(fù)合膜增重率的變化

2.4復(fù)合膜彎曲剛度的變化

不同規(guī)格復(fù)合膜彎曲剛度的變化如圖4所示。從圖4中可以看出：PTFE/PTFE機織布復(fù)合膜彎曲剛度最小，而隨著交織機織物密度的增加，復(fù)合膜彎曲剛度增大，這是因為織物密度增加，織物交織點增多，織物變得硬挺，同時復(fù)合膜增重率增大，樹脂附著量增多，二者共同作用使得復(fù)合膜彎曲剛度增大。樣品6和樣品7的密度相同，但是樣品6增重率小于樣品7(結(jié)合圖3)，故樣品6彎曲剛度小于樣品7。

圖4　不同復(fù)合膜彎曲剛度的變化

2.5復(fù)合膜剝離強力的變化

不同規(guī)格的機織布與聚四氟乙烯濾膜所得復(fù)合膜剝離強力的變化如圖5所示。從圖5中可以看出：160×140 根/10 cm PTFE/PTFE機織布為基布的復(fù)合膜剝離強力最小，這是因為在PTFE/PTFE機織布上涂覆乙烯基酯后，乙烯基酯和基布的粘結(jié)力弱，使得基布和膜容易剝離；160×140 根/10 cm PTFE/POM機織布為支撐基布的復(fù)合膜剝離強力最大，隨著織物密度的增大，剝離強力逐漸減小，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是：隨著增重率的增大，乙烯基酯附著量增大，基布變得硬挺，受力時形變能力降低，織物與膜之間的剝離受力集中點增加，從而使膜與基布容易分離，剝離強力變小。

圖5　不同復(fù)合膜剝離強力的變化

2.6不同膜水通量的變化

不同膜水通量的變化如圖6所示。從圖6中可以看出：與未經(jīng)復(fù)合的樣品5聚四氟乙烯微濾膜相比，復(fù)合膜的水通量隨著織物密度的增加而逐漸減少，因為密度變大，機織布交織次數(shù)增多使得織物的孔隙減小，織物表面的乙烯基酯附著量增多，在一定程度上將部分聚四氟乙烯膜上的微孔堵塞，造成水通量減少。

圖6　不同膜水通量的變化

2.7不同膜平均孔徑的變化

不同膜平均孔徑的變化如圖7所示。從圖7中可以看出：與未經(jīng)復(fù)合的樣品5相比，樣品6復(fù)合膜的平均孔徑最小，這是因為乙烯基酯難以在較硬且光滑的基布表面附著，在復(fù)合過程中壓力作用下較多地轉(zhuǎn)移到膜表面上，容易堵塞膜孔，造成復(fù)合膜孔徑變小。PTFE/POM機織基布隨著密度的增加，增重率和乙烯基酯附著量增加(圖3)，復(fù)合膜的平均孔徑有所減小。樣品6和7比較，雖然二者密度相同，但樣品7中采用POM復(fù)絲紗，在復(fù)合過程中壓力作用下，部分樹脂會滲透到POM紗線中，更少地堵塞膜孔，因此復(fù)合后樣品7的膜平均孔徑高于樣品6。

圖7　不同膜平均孔徑的變化

3　結(jié)　論

a) 純聚四氟乙烯長絲機織物與聚四氟乙烯膜之間的剝離強力過低而無法作為支撐聚四氟乙烯濾膜的支撐基布。

b) 隨著聚甲醛/聚四氟乙烯長絲交織機織基布的織造密度增加，乙烯基酯樹脂在基布上的附著量增加，復(fù)合膜的水通量和平均孔徑有所下降，彎曲剛度有所增加，剝離強力下降尤為明顯。

c)22.2 tex×15.6 tex，160×140 根/10 cm的聚四氟乙烯/聚甲醛經(jīng)緯長絲交織機織物作為支撐基布的復(fù)合膜，綜合性能最好，剝離強力較高，對復(fù)合膜的水通量和孔徑影響較小，可作為強堿性廢水處理用支撐聚四氟乙烯濾膜的支撐基布。

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(責任編輯： 唐志榮)

Preparation and Test Analysis of PTFE Membrane Support Fabric

ZHAOZhiyuana,ZHANGHuapenga,b

(a.College of Materials and Textiles; b.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In this paper, polyoxymethylene filament and PTFE filament were interwoven as a supporting fabric, and the anti-corrosive vinyl ester resin was used as the adhesive to prepare PTFE membrane support fabric used in strong alkaline waste-water filtration. The effects of weaving density after compounding with PTFE micro-filtration membrane on the pore size, water flux, stiffness and peel strength of PTFE support membranes were investigated. The results show that: with the increase of interweaving density, the pore size and water flux of membrane decreases, and the change in peeling strength is most obvious. The membrane supported with the base fabric of 22.2 tex×15.6 tex, 160×140 picks / 10 cm has the best comprehensive properties.

polyoxymethylene filament; polytetrafluoroethylene filament; woven fabric; support fabric; composite membranes

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.09.007

2015-10-21

國家科技支撐計劃項目(2013BAC01B01)

趙志遠(1989-)，女，河南南陽人，碩士研究生，主要從事聚甲醛纖維性能及應(yīng)用的研究。

張華鵬，E-mail:zhp@zstu.edu.cn

TS155.6

A

1673- 3851 (2016) 05- 0674- 05 引用頁碼： 090202