乙烯-三氟氯乙烯共聚物中空纖維膜結(jié)構(gòu)的影響因素研究

吁蘇云，劉 慧，高林娜，代哲振，張艷中

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

含氟高分子材料有很高的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一類(lèi)制備高性能超濾、微濾膜的材料，不同的含氟高分子材料又有其獨(dú)特的性能[1-2]。聚四氟乙烯材料具有超強(qiáng)的耐化學(xué)性能，俗稱(chēng)塑料之王，其制成的微孔膜耐化學(xué)性極佳，但其不可采用熔融加工工藝，其微孔是采用拉伸法制備而成，制膜工藝復(fù)雜，膜結(jié)構(gòu)較難控制[3]。聚偏氟乙烯樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均較好，它溶于一些極性熔劑，可采用浸沒(méi)沉淀法（NIPS法）制備微孔膜，它能熱熔融加工，還可采用熱致相分離法（TIPS法）制備微孔膜，這兩種方法制備的膜結(jié)構(gòu)可控，聚偏氟乙烯樹(shù)脂現(xiàn)已成為制備微孔膜的主要材料，但聚偏氟乙烯微孔膜在強(qiáng)堿中（PH＞12）易變色，且可溶于二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮等強(qiáng)極性試劑，不適用于含強(qiáng)堿或強(qiáng)極性溶劑的過(guò)濾單元。乙烯—三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）是乙烯和三氟氯乙烯按1∶1的比例交替而成的共聚物，相對(duì)于均聚物聚三氟氯乙烯，因其引入了乙烯共聚單體，其熔融粘度顯著降低，是氟樹(shù)脂中容易加工的一種樹(shù)脂，可作擠塑、注塑、吹塑等熱熔融加工工藝生產(chǎn)制品，常溫下ECTFE不溶于任何溶劑，因而熱致相分離法（TIPS法）是制備ECTFE微孔膜的合適方法，與常用的NIPS法相比，TIPS法最大的優(yōu)勢(shì)在于制得的膜為通體海綿狀孔，膜的強(qiáng)度高、通量大。乙烯-三氟氯乙烯共聚物在高pH值時(shí)性能穩(wěn)定，且可耐二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮等強(qiáng)極性溶劑，可用于強(qiáng)堿、強(qiáng)極性溶劑等苛刻的過(guò)濾單元，如電路板刻蝕液的過(guò)濾等[4-9]。

TIPS法制備ECTFE微孔膜的研究已有報(bào)道，研究的內(nèi)容主要涉及尋找與ECTFE具有較寬液液相分離區(qū)的稀釋劑，有在ECTFE中加入單一的或復(fù)合稀釋劑的研究。周波等研究認(rèn)為鄰苯二甲酸二乙酯作為單一的稀釋劑，通過(guò)改變聚合物的濃度、淬冷的溫度及粗化的時(shí)間可控制ECTFE平板膜的強(qiáng)度和孔隙率[10]；周波等還研究了采用ECTFE／癸二酸二丁酯 （DBS）/亞磷酸三苯酯（TPP）三元體系制備ECTFE平板膜，當(dāng)TPP∶DBS質(zhì)量比為4∶6時(shí)，可制得孔徑均勻的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)ECTFE微孔平板膜[11]。劉慧等以DMP等為稀釋劑采用雙螺桿擠出機(jī)制得較為通透的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)ECTFE中空纖維膜，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了采用雙螺桿擠出機(jī)連續(xù)制備ECTFE中空纖維膜，為產(chǎn)業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造可能，制備的膜絲拉伸強(qiáng)度達(dá)5 MPa，但由于工藝參數(shù)等不合適，導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)不理想，外表面較致密，水通量較低[12]。本文在該研究的基礎(chǔ)上，采用雙螺桿連續(xù)擠出工藝，進(jìn)一步深入研究了機(jī)頭溫度、冷卻浴的溫度對(duì)ECTFE中空纖維膜結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

乙烯-三氟氯乙烯共聚物 （SinodurR-32610，熔融指數(shù)： 1.9～2.4 g（230 ℃ 負(fù)荷 5 kg ，10 min），購(gòu)自中化藍(lán)天集團(tuán)有限公司；鄰苯二甲酸二甲酯（DMP），為分析純，購(gòu)自杭州匯普化工儀器有限公司。

1.2 ECTFE中空纖維膜的制備及表征

將一定質(zhì)量的 ECTFE與鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）在擠出機(jī)中充分混合，以乙二醇為芯液通過(guò)噴絲頭紡制成ECTFE/稀釋劑的中空纖維狀均一熔體，然后將熔體浸入冷卻水浴中，使鑄膜液發(fā)生相分離并固化成膜，用萃取劑乙醇除去膜中稀釋劑，再用純水反復(fù)清洗用以去除萃取劑乙醇，即得ECTFE中空纖維膜。

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)量方法：將長(zhǎng)度為10 cm的ECTFE中空纖維膜在拉伸速度為50 mm/min條件下進(jìn)行測(cè)試。 水通量的測(cè)試方法：將ECTFE中空纖維膜在0.01 MPa的負(fù)壓下進(jìn)行測(cè)試。電鏡表征：日本 HITACH掃描電子顯微鏡（SEM），型號(hào)S-4800，將膜在液氮中淬斷，斷面噴金后觀察膜結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)頭溫度對(duì)制備膜絲的結(jié)構(gòu)與性能的影響

以乙烯-三氟氯乙烯共聚物為原料，采用鄰苯二甲酸二甲酯為稀釋劑，以50℃的冷卻水浴，利用TIPS法制備乙烯-三氟氯乙烯共聚物中空纖維膜，研究了擠出機(jī)的機(jī)頭溫度對(duì)膜絲的結(jié)構(gòu)與性能的影響。膜絲性能見(jiàn)表1，膜絲結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 機(jī)頭溫度對(duì)膜絲性能的影響

當(dāng)擠出機(jī)的機(jī)頭溫度在185℃～195℃時(shí)，制備的膜絲拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均較低，膜絲較易斷裂；當(dāng)擠出機(jī)頭溫度在 200℃ 、205℃時(shí)，膜絲的拉伸強(qiáng)度和純水通量達(dá)到峰值；而后隨著機(jī)頭溫度的不斷增加，純水通量逐漸降低。機(jī)頭溫度控制在 200℃～205℃ 時(shí)，制備的膜絲性能為最優(yōu)。當(dāng)機(jī)頭溫度在185℃～195℃時(shí)，由于原料熔融不充分，膜絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，膜絲存在應(yīng)力集中使力學(xué)性能較差；當(dāng)機(jī)頭溫度在200℃、205℃時(shí)，樹(shù)脂充分熔融，所得的膜絲內(nèi)外表面孔分布均勻、斷截面海綿狀孔通透。當(dāng)繼續(xù)升高溫度至210℃、215℃時(shí)，膜絲斷截面海綿狀孔通透，但外表面變得致密，膜絲通量變小，強(qiáng)度尚可，分析原因是隨著溫度的升高，膜表面的稀釋劑的揮發(fā)變快，使表面的ECTFE樹(shù)脂含量迅速升高，從而使膜表面變得致密。

2.2 冷卻水浴的溫度對(duì)制備膜絲的結(jié)構(gòu)與性能的影響

以乙烯-三氟氯乙烯共聚物為原料，采用鄰苯二甲酸二甲酯為稀釋劑，擠出機(jī)的機(jī)頭溫度設(shè)定為205℃，TIPS法制備乙烯-三氟氯乙烯共聚物中空纖維膜，研究了冷卻水浴溫度對(duì)制備膜絲的結(jié)構(gòu)與性能的影響。膜絲性能見(jiàn)表2，膜絲結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

表2 冷卻水浴溫度對(duì)膜絲性能的影響

圖1 不同機(jī)頭溫度制備的ECTFE中空纖維膜的SEM照片

圖2 不同冷卻水浴的溫度制備的ECTFE中空纖維膜的SEM照片

當(dāng)冷卻水浴的溫度在10℃、30℃時(shí)，制備的膜絲拉伸強(qiáng)度較高，但膜絲通量較??；當(dāng)冷卻水浴溫度在50℃時(shí)，膜絲的拉伸強(qiáng)度和純水通量相對(duì)較高；而后隨著冷卻水浴溫度升高至70℃，拉伸強(qiáng)度降低，純水通量較高。冷卻水浴的溫度在50℃時(shí)，制備的膜絲綜合性能最優(yōu)。當(dāng)冷卻水浴的溫度在10℃、30℃時(shí)，膜絲外表面因接觸水浴溫度較低，導(dǎo)致樹(shù)脂與稀釋劑液液分相的時(shí)間較短，形成的膜孔也相應(yīng)較小，膜絲外表面處結(jié)構(gòu)致密，電鏡照片顯示膜的表面較光滑，導(dǎo)致膜的通量偏低；當(dāng)冷卻水浴在50℃時(shí)所得的膜絲從電鏡觀察到的膜的各個(gè)層面海棉狀結(jié)構(gòu)都較均勻，導(dǎo)致膜的通量較高。當(dāng)繼續(xù)升高冷卻水浴的溫度到70℃時(shí)，由于熔體固化的時(shí)間增加，導(dǎo)致樹(shù)脂與稀釋劑液液分相的時(shí)間相應(yīng)增加，形成的膜孔也相應(yīng)增大，導(dǎo)致膜的強(qiáng)度降低，通量較大。

3 結(jié)論

采用熱致相法制備ECTFE中空纖維膜時(shí)，擠出機(jī)的溫度、冷卻水浴溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于形成理想的膜結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用機(jī)頭溫度在200℃～205℃時(shí)，冷卻浴的溫度在50℃時(shí)所制得的膜絲性能最佳，相應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)為較好的海綿狀通透孔。