楊丹 劉麗妍 李婷 韓永良 白靜娜
摘 要:為解決增強(qiáng)型PVDF中空纖維膜的界面黏結(jié)問(wèn)題,以PET針織管為增強(qiáng)體,PVDF為鑄膜液,采用低溫等離子體對(duì)針織管表面進(jìn)行預(yù)處理,并利用浸沒(méi)沉淀相轉(zhuǎn)化法制備增強(qiáng)型中空纖維膜。通過(guò)測(cè)試增強(qiáng)膜的純水通量、孔隙率、平均孔徑及力學(xué)性能等,研究了不同等離子體處理時(shí)間對(duì)增強(qiáng)膜性能的影響。結(jié)果表明:等離子體處理對(duì)增強(qiáng)膜的純水通量、孔隙率及平均孔徑影響較小,但對(duì)改善增強(qiáng)膜界面結(jié)合強(qiáng)度效果明顯。與未改性前相比,當(dāng)處理時(shí)間為15 min時(shí),增強(qiáng)膜的拉伸強(qiáng)度提升了22.6%,爆破強(qiáng)度提升了40%,超聲振蕩前后膜純水通量的變化量減小了71.2%,這時(shí)膜的力學(xué)性能最佳,綜合性能最優(yōu)。
關(guān)鍵詞:增強(qiáng)體;鑄膜液;增強(qiáng)型PVDF膜;低溫等離子體處理
中圖分類號(hào):TS186. 5 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1009-265X(2021)03-0016-07
Abstract:In order to solve the interfacial bonding problem of reinforced PVDF hollow fiber membrane, the PET knitted tube was used as the reinforcement and polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the casting membrane solution to pretreat the surface of knitted tube by low temperature plasma. Besides, the reinforced hollow fiber membrane was prepared by immersion-precipitation phase transformation method. By measuring the pure water flux, porosity, average pore size and mechanical properties of the reinforced membrane, the effect of plasma treatment time on the performance of the reinforced membrane was studied. The results show that the plasma treatment had little effect on the pure water flux, porosity and average pore size of the reinforced membrane, while had obvious effect on improving the interfacial bonding strength of the membrane. Compared with that before modification, when the treatment time was 15 min, the tensile strength of the reinforced membrane increased by 22.6% and the blasting strength increased by 40%, while the change of pure water flux of the membrane before and after ultrasonic oscillation decreased by 71.2%. At this time, the mechanical performance of the membrane was the best and the comprehensive performance was the best.
Key words: reinforcement; casting membrane solution; reinforced PVDF membrane; low temperature plasma treatment
聚偏氟乙烯(PVDF)是半結(jié)晶型熱塑性聚合物,作為一種優(yōu)良的高分子材料,有其顯著的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度[1-4],在膜領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。然而單質(zhì)的PVDF中空纖維膜在實(shí)際的膜生物反應(yīng)器(MBR)運(yùn)行過(guò)程中有著易污染,機(jī)械強(qiáng)度差等缺點(diǎn),經(jīng)常發(fā)生斷絲狀況,從而降低生產(chǎn)產(chǎn)量,增加成本。隨著對(duì)膜強(qiáng)度要求的提高,增強(qiáng)型中空纖維膜的普及已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)的必然趨勢(shì),它在有效提高膜強(qiáng)度的同時(shí),能滿足污水處理過(guò)程中對(duì)膜的性能要求。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,常用作增強(qiáng)膜的支撐體,它的補(bǔ)強(qiáng)作用可大大延長(zhǎng)膜的使用壽命,然而PET分子結(jié)構(gòu)規(guī)整,缺少足夠的極性基團(tuán)和親水基團(tuán),且PVDF疏水性強(qiáng),制備的增強(qiáng)膜在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中容易發(fā)生局部剝離現(xiàn)象,從而影響膜的過(guò)濾性能[5-6]。因此,如何改善增強(qiáng)體與鑄膜液之間的界面結(jié)合強(qiáng)度,提高膜的綜合性能已經(jīng)成為當(dāng)前膜研究的重點(diǎn)問(wèn)題。目前多采用堿處理,偶聯(lián)劑處理,黏結(jié)劑整理或低溫等離子體處理等預(yù)處理方法來(lái)改善增強(qiáng)體的相容性,提高增強(qiáng)膜的界面結(jié)合[7-8]。
低溫等離子體適用于熱敏性高分子材料和紡織材料的表面改性,它是在不影響材料本體性能的前提下,通過(guò)薄膜沉積、官能團(tuán)注入或等離子體接枝共聚等方法來(lái)改善聚合物的性質(zhì)。低溫等離子體技術(shù)具有易操作,綠色無(wú)污染等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[9-14]。對(duì)PET的等離子體改性有很多研究,張歡等[15]采用低溫等離子體處理PET聚酯纖維(滌綸)表面,得出,改性后的纖維比表面積增大,且產(chǎn)生了新的親水基團(tuán)OH,改善了纖維的親水性。Zhou等[16]利用低溫氧等離子體對(duì)PET織物表面進(jìn)行改性,研究表明,經(jīng)處理后的織物表面含有大量含氧極性基團(tuán),且織物表面的抗菌和抗靜電性能增加,污染最小。等離子處理也可改善材料之間的黏結(jié)性,在復(fù)合材料中應(yīng)用較多,F(xiàn)an等[17]研究了低溫等離子體處理對(duì)芳綸Ⅲ增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明,等離子體刻蝕使纖維的粗糙度增加,材料的表面能增大,且在纖維表面引入羧基官能團(tuán),潤(rùn)濕性好,纖維與基體之間有更好的表面黏結(jié)。王聞?dòng)畹萚18]對(duì)聚酯薄膜進(jìn)行等離子體表面處理,制備PET-PPy(聚吡咯)復(fù)合膜,結(jié)果表明,隨等離子體處理時(shí)間延長(zhǎng),膜表面粗糙度持續(xù)增大,表面電負(fù)性增強(qiáng),界面結(jié)合強(qiáng)度顯著提高[19]。近幾年對(duì)PET等離子體處理增強(qiáng)PVDF中空纖維膜的研究鮮有報(bào)道,本研究以PET針織管為增強(qiáng)體,以PVDF為鑄膜液并利用浸沒(méi)沉淀相轉(zhuǎn)化法制備增強(qiáng)型中空纖維膜,采用低溫等離子體處理針織管表面,通過(guò)純水通量、孔隙率、平均孔徑及力學(xué)性能等測(cè)試研究了不同等離子體處理時(shí)間對(duì)增強(qiáng)膜界面結(jié)合強(qiáng)度及膜各性能的影響。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑
PET針織管增強(qiáng)體(博安信股份有限公司);聚偏氟乙烯鑄膜液(PVDF,天津漢晴環(huán)??萍加邢薰荆?NN二甲基乙酰胺(DMAc,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司,分析純);N甲基吡咯烷酮(NMP,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所,分析純);聚乙烯吡咯烷酮(PVP,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司,化學(xué)純)。
1.2 實(shí)驗(yàn)器材
PR-3等離子體去膠機(jī)(北京創(chuàng)世威納科技有限公司);TM-3030日立臺(tái)式掃描電鏡(SEM,日本株式會(huì)社日立事務(wù)所);水通量測(cè)試儀(自制);3369萬(wàn)能強(qiáng)力儀(美國(guó)Instron公司);DZF.6050真空干燥箱(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司);KQ-100E超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1 針織管性能參數(shù)
如圖1所示為纖維截面放大圖,采用三角形截面的纖維制備的針織管。圖2為放大后的針織管表觀形態(tài),其中針織管外徑為1.8 mm,線密度為0.78tex,單絲直徑為17.9 μm,每根針織管的單絲根數(shù)為48。
1.3.2 增強(qiáng)體的等離子體預(yù)處理
將針織管用3%的NaOH浸泡24 h去除表面油漬,再用蒸餾水清洗,并真空干燥。剪取一小部分針織管,將其放入PR-3等離子體去膠機(jī)的指定位置,設(shè)定處理壓強(qiáng)為30 Pa,反應(yīng)功率為100 W、通入氧氣的速度為0.8 L/min,在上述參數(shù)保持不變的情況下,分別測(cè)試5、10、15及20 min處理時(shí)間下增強(qiáng)膜的性能。
1.3.3 增強(qiáng)型中空纖維膜的制備
將PVDF樹脂、添加劑PVP,溶劑DMAc和NMP以12∶7∶81的比例加入攪拌罐中,在40 ℃下攪拌12 h使PVDF完全溶解,并加入脫泡罐中靜止脫泡24 h形成均勻的鑄膜液。利用天津漢晴環(huán)??萍加邢薰镜膹?fù)合膜生產(chǎn)設(shè)備,采用浸沒(méi)沉淀相轉(zhuǎn)化法,將鑄膜液均勻的分布在針織管表面,然后進(jìn)入凝固浴固化成型得到增強(qiáng)型PVDF中空纖維膜。
1.4 增強(qiáng)型中空纖維膜性能測(cè)試
1.4.1 形貌結(jié)構(gòu)表征
利用TM-3030掃描電鏡掃描增強(qiáng)膜的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu),掃描電壓為20 kV。具體操作為將未處理與處理后的針織管與干態(tài)的增強(qiáng)膜剪出5 mm一小段,經(jīng)真空鍍金后用掃描電鏡觀察表面形貌。
1.4.2 純水通量測(cè)試
用實(shí)驗(yàn)室自制的水通量?jī)x測(cè)定增強(qiáng)膜的純水通量。采用外壓法,在0.1 MPa下穩(wěn)壓15~20 min左右至通量基本穩(wěn)定,測(cè)量一定時(shí)間下的純水通量,見式(1):
F=Vst(1)
式中:F為水通量,L/m2·h;V為通過(guò)水的體積,L;s為膜的有效分離面積,m2;t為測(cè)試時(shí)間,h。
1.4.3 孔隙率測(cè)試
利用干濕膜稱重法,將針織管及其增強(qiáng)膜浸泡在蒸餾水中,稱其干態(tài)和濕態(tài)質(zhì)量,然后根據(jù)公式計(jì)算孔隙率。具體操作方法為:首先,截取長(zhǎng)度為15 cm的針織管,浸泡在蒸餾水中24 h,用濾紙吸干針織管表面蒸餾水,用吸耳球吹出管內(nèi)蒸餾水后稱重記質(zhì)量為m3,然后將其放入溫度為50 ℃的真空烘箱中干燥8 h,稱重記質(zhì)量為m4。另截取長(zhǎng)度為15 cm的增強(qiáng)膜,用同樣的方法先浸泡吸干記質(zhì)量為m1,再烘干稱重記質(zhì)量為m2,最后利用電子顯微鏡測(cè)量增強(qiáng)膜的內(nèi)徑d1及外徑d0??紫堵视忙疟硎?,見式(2):
ε=m1-m2-(m3-m4)π/4ρl(d20-d21)(2)
式中:ρ為水的密度,g/cm3;l為增強(qiáng)膜的長(zhǎng)度,cm。
1.4.4 平均孔徑測(cè)試
采用濾速法來(lái)測(cè)定增強(qiáng)膜的平均孔徑,具體的計(jì)算見式(3):
r=8(2.9-1.75ε)μIJεAΔp(3)
式中:ε為孔隙率,%;μ為純水黏度,Pa·s;I為膜厚度,m;J為純水的通透量,m3/s;A為過(guò)濾的膜面積,m2;Δp為膜兩側(cè)壓差,Pa。
1.4.5 拉伸強(qiáng)度測(cè)試
采用3369萬(wàn)能強(qiáng)力儀進(jìn)行增強(qiáng)膜拉伸強(qiáng)度測(cè)試,其中拉伸速率為200 mm/min,夾距長(zhǎng)度為100 mm,每個(gè)膜分別測(cè)5次并取平均值。
1.4.6 爆破強(qiáng)度測(cè)試
爆破強(qiáng)度是表征中空纖維膜壓力耐受作用的指標(biāo),實(shí)驗(yàn)采用自制的爆破強(qiáng)度裝置測(cè)試增強(qiáng)膜的爆破強(qiáng)度,每個(gè)樣品測(cè)5次并取平均值。
1.4.7 超聲波水域振蕩測(cè)試
采用KQ-100E超聲清洗器對(duì)增強(qiáng)膜進(jìn)行超聲振蕩處理,其中超聲頻率為40 kHz,超聲波功率為50 W,超聲時(shí)間為90 min,對(duì)超聲處理后的增強(qiáng)膜進(jìn)行純水通量測(cè)試。
2 結(jié)果與討論
2.1 針織管及增強(qiáng)膜表面形貌觀察
2.1.1 等離子處理后針織管纖維表面形貌
圖3為針織管縱向放大后纖維表面形貌圖,其中圖3(a)是未經(jīng)等離子體處理的針織管纖維表面形貌,圖3(b)為經(jīng)20 min等離子處理后針織管纖維表面形貌。從圖3(a)可以看出,未經(jīng)等離子體處理的針織管,纖維較規(guī)整,表面光潔順滑,纖維無(wú)損傷。而從圖3(b)可以看出,針織管表面經(jīng)低溫等離子體刻蝕后,纖維表面粗糙度增加,受損嚴(yán)重,局部有細(xì)小纖維體的剝落。
等離子體對(duì)纖維的作用機(jī)理主要為三方面。一是刻蝕,等離子體的高能轟擊,產(chǎn)生毛細(xì)效應(yīng),增加纖維的比表面積。二是表面活化,使纖維表面形成極性含氧基團(tuán)。三是界面沉積,改善材料界面使其能夠有效結(jié)合。低溫等離子體是在減壓和高頻電場(chǎng)作用下進(jìn)行輝光放電而產(chǎn)生,部分氣體分子被電離而產(chǎn)生高溫電子,在常溫或接近常溫的氣體中穿梭運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞。低溫等離子體之所以能夠使有機(jī)大分子鏈發(fā)生斷裂、重組等變化,主要是由于低溫等離子體中高能粒子的能量大于聚合物材料分子的結(jié)合鍵能。低溫等離子體含有較多處于高激發(fā)狀態(tài)的電子、光子等,易于在材料表面誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng),從而引入—OH、—COOH等極性基團(tuán),改善材料的表面性質(zhì)及黏結(jié)性能[20-22]。針織管經(jīng)低溫等離子體處理后,纖維表面的刻蝕程度不同,隨著處理時(shí)間的增加,纖維表面的粗糙程度增加,比表面積增大,當(dāng)處理時(shí)間越長(zhǎng)時(shí),針織管表面的刻蝕程度會(huì)越重,且由于針織管結(jié)構(gòu)疏松,纖維之間的縫隙小,受離子作用更加充分,所以對(duì)纖維表面的處理較為均勻。
2.1.2 增強(qiáng)型中空纖維膜截面形貌
圖4(a)為未經(jīng)處理制備的增強(qiáng)膜,從圖4(a)中能很清楚地看到針織管的線圈結(jié)構(gòu),有部分PVDF鑄膜液從線圈的間隙滲入到針織管內(nèi)部。從圖4(b)的局部放大圖中可以看出,未經(jīng)處理的針織管與鑄膜液界面分層明顯,鑄膜液滲透不均勻,結(jié)合情況不理想。而圖4(c)中可以看出,經(jīng)等離子體處理20 min后,增強(qiáng)膜的界面結(jié)合狀況有所改善,結(jié)合較為緊密,改性處理對(duì)改善分層現(xiàn)象起到了明顯效果。但從圖4總體可以看出,未處理及處理后制備的增強(qiáng)膜皆存在鑄膜液對(duì)針織管浸入不充分的現(xiàn)象,這是由于在制備增強(qiáng)膜的過(guò)程中,針織管受到一定程度的牽引力,使得針織管的密度發(fā)生改變,加之輸送速度對(duì)其一定程度地影響,因而使得鑄膜液對(duì)針織管的滲透量變得不均勻。
2.2 低溫等離子體刻蝕時(shí)間對(duì)針織管增強(qiáng)型中空纖維膜性能的影響
2.2.1 增強(qiáng)膜純水通量、孔隙率及平均孔徑
圖5是在壓強(qiáng)30 Pa、功率100 W、氧氣(0.8 L/min)的條件下測(cè)試的5、10、15、20 min不同等離子處理時(shí)間對(duì)膜純水通量及孔隙率的影響。從圖5可知隨著低溫等離子體處理的增加,增強(qiáng)膜的純水通量變化較為平緩,孔隙率有略微減小的趨勢(shì)。一定時(shí)間內(nèi)的等離子體處理并未改變材料的本體性質(zhì),其在改善了針織管與鑄膜液的界面黏結(jié)性后,一定程度上增加了膜的致密性,使得膜的結(jié)構(gòu)更加緊湊,孔隙率略有降低,純水通量變小,但當(dāng)處理時(shí)間大于10 min時(shí)針織管的親水性增強(qiáng),鑄膜液的浸潤(rùn)性變好,膜的分離層更加均勻,這時(shí)的純水通量又有增加的趨勢(shì)。圖6為經(jīng)等離子處理后測(cè)試的增強(qiáng)膜的平均孔徑,從圖6可以看出,隨處理時(shí)間的增加,膜的平均孔徑無(wú)較大變化。在經(jīng)等離子處理后,鑄膜液浸潤(rùn)更加均勻,分離層表面孔連通性高,平均孔徑數(shù)據(jù)變化范圍小。綜合分析后可以看出,等離子體處理對(duì)增強(qiáng)膜的純水通量、孔隙率及平均孔徑影響較小。
2.2.2 低溫等離子體刻蝕對(duì)增強(qiáng)型中空纖維膜力學(xué)性能的影響
圖7為低溫等離子體處理后針織管增強(qiáng)PVDF中空纖維膜的拉伸強(qiáng)度及爆破強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,當(dāng)處理時(shí)間在0~20 min之間時(shí),增強(qiáng)膜的拉伸強(qiáng)度先增大后減小,在處理時(shí)間為10 min時(shí),拉伸強(qiáng)度最大,達(dá)到66 MPa,處理時(shí)間為15 min時(shí)拉伸強(qiáng)度較未處理前提升了22.6%而爆破強(qiáng)度隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)一直增大,在處理時(shí)間為15 min時(shí)提升了40%。當(dāng)對(duì)增強(qiáng)膜進(jìn)行拉伸測(cè)試時(shí),其受力部分有針織管、分離層及增強(qiáng)體與鑄膜液之間的界面層。針織管結(jié)構(gòu)松散,空隙大,纖維細(xì)度好,當(dāng)用低溫等離子體處理針織管,會(huì)增加針織管表面能,針織管外表面變得粗糙,相容性有所改善,這時(shí)鑄膜液的浸潤(rùn)會(huì)使界面結(jié)合地更加緊密,且拉伸使得界面層分擔(dān)受力程度加大。未經(jīng)過(guò)低溫等離子體處理的增強(qiáng)膜,界面結(jié)合強(qiáng)度不理想,容易發(fā)生分離現(xiàn)象,作用力相對(duì)較小。當(dāng)拉伸強(qiáng)度增加到最大值時(shí)開始下降,此時(shí)針織管外表面刻蝕嚴(yán)重,損害了針織管本身結(jié)構(gòu),針織管強(qiáng)度下降,因此增強(qiáng)膜強(qiáng)度下降。
隨著低溫等離子體刻蝕針織管時(shí)間延長(zhǎng),針織管外表面刻蝕程度增加,鑄膜液對(duì)針織管的附著力增加,界面黏結(jié)性逐漸增強(qiáng)。在制備增強(qiáng)膜的過(guò)程中,由于針織管輸送速度與計(jì)量泵擠出頻率不變,因此增強(qiáng)膜的鑄膜液厚度基本保持不變,此時(shí)增強(qiáng)膜的界面黏結(jié)強(qiáng)度良好,膜受力均勻,因此爆破強(qiáng)度持續(xù)增加。
2.2.3 低溫等離子體處理時(shí)間對(duì)增強(qiáng)膜界面結(jié)合強(qiáng)度的影響
界面結(jié)合強(qiáng)度是表征增強(qiáng)型中空纖維膜性能的重要參數(shù),其直接影響增強(qiáng)膜的過(guò)濾性能和使用壽命,根據(jù)超聲水浴振蕩前后增強(qiáng)膜的水通量數(shù)據(jù)變化可間接得出增強(qiáng)膜的界面結(jié)合情況。圖8為不同低溫等離子體處理時(shí)間下超聲水浴振蕩前后增強(qiáng)膜的水通量變化,從柱狀圖中可以看出,隨著低溫等離子體處理時(shí)間的增加,超聲水浴振蕩前后增強(qiáng)膜的水通量變化逐漸減小,在處理時(shí)間為15 min及20 min時(shí),超聲振蕩前后純水通量的變化量分別減小了71.2%及81.4%,這表明,在處理時(shí)間為20 min時(shí)增強(qiáng)膜的界面結(jié)合狀態(tài)最佳。未經(jīng)過(guò)等離子體處理的增強(qiáng)膜,超聲振蕩后的膜水通量可達(dá)822 L/m2·h,比超聲振蕩前增加了171 L/m2·h,可以解釋為超聲振蕩一定程度上破壞了針織管與鑄膜液之間的界面黏結(jié),且鑄膜液浸潤(rùn)不均勻,使得增強(qiáng)膜的純水通量發(fā)生突變。由于低溫等離子體在最佳處理時(shí)間時(shí)對(duì)纖維表面的作用機(jī)理,使針織管表面的相容性及浸潤(rùn)性改善,從而與鑄膜液的嚙合更加緊密,同時(shí)氧的輸入增加了羥基和羧基等極性基團(tuán),改善針織管的親水性,更有助于鑄膜液的浸潤(rùn),從而增加膜的界面黏結(jié)。因此,可得出等離子處理對(duì)改善增強(qiáng)膜界面結(jié)合情況效果較好。
3 結(jié) 論
采用低溫等離子體刻蝕法對(duì)針織管增強(qiáng)PVDF中空纖維膜進(jìn)行改性,測(cè)試了不同低溫等離子體處理時(shí)間下,增強(qiáng)膜的各項(xiàng)性能及界面結(jié)合狀況,得出如下結(jié)論:
a)等離子體處理對(duì)增強(qiáng)膜的純水通量、孔隙率及平均孔徑等影響較小,對(duì)改善增強(qiáng)膜界面結(jié)合效果顯著。
b)處理時(shí)間為20 min時(shí),超聲振蕩前后增強(qiáng)膜的純水通量的變化量最小,界面結(jié)合性能最佳。
c)處理時(shí)間為15 min時(shí),增強(qiáng)膜的綜合性能最優(yōu),與未改性前相比,增強(qiáng)膜的拉伸強(qiáng)度提升了22.6%,爆破強(qiáng)度提升了40%,超聲振蕩前后增強(qiáng)膜純水通量的變化量減小了71.2%。
目前,低溫等離子體技術(shù)在纖維表面處理的應(yīng)用較為廣泛,它在不改變材料本體性能的同時(shí),能夠改善材料的潤(rùn)濕性、黏結(jié)性及生物相容性,且操作簡(jiǎn)單,綠色無(wú)污染,成本低。然而等離子體技術(shù)在纖維的改性應(yīng)用中只局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,大規(guī)模的批量加工還存在一定的問(wèn)題。在未來(lái)的研究工作中,應(yīng)綜合考慮材料的結(jié)構(gòu)、成分及表面純度,以選擇適當(dāng)?shù)奶幚項(xiàng)l件,得到最佳的處理效果。
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