[发明专利]高分子超滤膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超滤膜，尤其是涉及一种高分子超滤膜及其制备方法。

背景技术

超滤是一种以压力差为驱动力，根据物质大小的不同，利用筛分机理截留大分子溶质，实现与溶剂或小分子溶质分离的膜分离过程，所用的超滤膜的有效孔径在2~100nm之间。利用超滤膜表面微孔的筛选作用，可以实现对不同分子量物质的分离、提纯，对微粒、胶体、细菌和多种有机物的去除具有较好的效果，近年来广泛应用于水处理、食品、电子、机械、化工、石油、环保、医药和生物技术等相关领域。

目前，超滤膜主要由高分子材料制得，因其具有种类多、化学组成和结构可控、价格低、成膜性好等优点，是超滤膜的主要材料，占总膜材料的90%以上。商品化高分子膜材料主要有醋酸纤维素、硝酸纤维素、再生纤维素、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚芳醚砜、聚碳酸甲酯等。因此开发高分子超滤膜的制备技术至关重要。

经过多年的发展，研究人员已开发了相转化法、涂覆法、溶出法和核径迹法等高分子超滤膜的工业制备方法。相转化法是商品化超滤膜的主要制备方法，所制得超滤膜由一种高分子构成，为非对称结构，由一层极薄分离皮层和具有海绵状或指状结构的多孔支撑层构成，分离皮层厚度小于3μm，孔径为2~100nm，对溶液具有分离作用，多孔支撑层厚度约75~125μm。该法过程较简单、适用于大多数高分子材料，然而，所制超滤膜的孔径分布宽、有效渗透面积较小、传质阻力较大，导致膜的通量较小，截留率低，溶质膜内损失大。涂覆法是先选择一种高分子微滤膜作为支撑层，其后在支撑层上涂覆高分子溶液层，经相转化等形成分离层，获得由支撑层和分离层组成的复合膜。该法可以得到最小孔径2nm的超滤膜，但易发生孔渗致皮层的有效厚度增加导致通量下降。核径迹法制备的膜孔径一般大于20nm，为大小均匀的柱状孔，但孔隙率低，一般为10%左右，对高分子材料的要求较高，目前只有商品化聚碳酸甲酯核径迹超滤膜。溶出法是在基膜材料中加入可溶出的添加剂，成膜后把添加剂溶出则获得超滤膜，利用这种方法可以得到不同孔径的膜，最小孔径可达5nm，但孔径分布较宽，孔隙率较小。由上可知，目前高分子超滤膜的工业制备方法在制备孔径小于20nm存在较大不足，所制的超滤膜孔径分布宽、通量小、传质阻力较大，截留率低，溶质膜内损失大（C.C.Striemer,T.R.Gaborski,J.L.McGrath,P.M.Fauchet,Nature 445(2007)749–753）。

近年来，研究人员开发了一些高性能高分子超滤膜及其制备方法。例如，梁海伟等（H-WLiang,L Wang,P-Y Chen,H-T Lin,L-F Chen,D He,S-H Yu,Adv.Mater.22(2010)4691-4695）利用自由沉积制备了碳纳米纤维超滤膜，该膜的孔径可小至5nm，且孔径分布较窄。彭新生等（X.Peng,J.Jin,I.Ichinose,Adv.Funct.Mater.17(2007)1849–1855）制备了聚吡咯和聚苯胺包裹的氢氧化铜纳米线，并将其过滤在多孔支撑上获得孔径3.5nm、通量500L·m^-2h^-1的超滤膜。Yamamoto等（T.Yamamoto,T.Kimura,M.Komura,Y.Suzuki,T.Iyoda,S.Asaoka,H.Nakanishi,Adv.Funct.Mater.21(2011)918–926）合成了聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸嵌段共聚物超滤膜，聚环氧乙烷自组装形成孔径为2nm的圆柱形孔，能有效分离罗丹明染料。这些新型的高分子超滤膜具有较高的分离性能、孔径分布窄，然而制备方法较复杂、材料单一、不适合工业推广。此外，与商品超滤膜相似，通量较小，截留孔径小于12nm的超滤膜的通量一般小于500L·m^-2h^-1（压差80kPa）。

因此，如何在2~20nm孔径范围内，开发工艺简单、对高分子膜材料具有通用性的高分子超滤膜的制备方法，制备具有孔径分布窄、传质阻力小、超高渗透通量和截留率高等优点的高分子超滤膜具有重要的科学意义和工业应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的上述缺陷，提供用于流体分离，适用于大部分高分子材料，制得的高分子超滤膜孔径小于15nm且孔径分布窄，分离层厚度在0.05~5μm可调，具有超高的渗透通量和分离效率的高分子超滤膜及其制备方法。