[发明专利]一种碳纳米管/纳米纤维导电复合膜及其制备方法

说明书

本发明属于膜技术领域，提供了一种碳纳米管/纳米纤维导电复合膜及其制备方法。利用静电纺丝工艺制备的一维纳米纤维无纺布为支撑层，在支撑层交联上碳纳米管作为分离层，构建出具备一维纳米材料交织而成的网状孔结构的导电膜。涉及到的复合膜的膜孔径从微滤到超滤范围可控，膜形态包括平板膜、中空纤维膜、卷式膜可控。涉及到的复合膜主要优点和有益效果在于：制备步骤简单，具有较好的渗透性和机械强度，良好的亲水性和导电性能，易于大规模生产应用。

技术领域

本发明涉及到一种碳纳米管/纳米纤维导电复合膜及其制备方法，属于膜技术领域。

背景技术

膜分离技术作为一种高效节能且简单便捷的相分离技术，被广泛应用于水处理领域中的污水深度处理、家庭饮用水净化和资源回收利用等方面。然而，现有分离膜存在着水透过性和分离能力之间的相互矛盾关系、膜污染严重、膜功能单一等问题,严重制约了膜分离技术的进一步发展和应用。

研究发现基于碳纳米管制备的分离膜呈现出一维纳米材料交织成网状的膜结构和相互贯通的膜孔道，具有高孔隙率、低孔弯曲度和高渗透性的优点。且由于碳纳米管具有优秀的导电性能，通过电辅助(静电排斥、电增强吸附和电化学氧化等)-膜过滤耦合工艺，能有效减缓膜污染，缓解膜透过性和分离能力之间的矛盾关系，同时，电辅助工艺有希望赋予碳纳米管分离膜新的功能，能有效缓解膜分离技术现在面临的问题。目前研究基于碳纳米管的分离膜主要有三种：第一种，单纯碳纳米管材料组装的纯碳纳米管膜；第二种，碳纳米管与其它制膜材料(高分子材料、陶瓷膜材料等)混合均匀制备的混合基质膜；第三种，碳纳米管作为分离层，涂覆在支撑层基体上制备的复合膜。然而现有的基于碳纳米管的分离膜都存在一些问题，影响了分离膜的性能和应用。例如：纯碳纳米管膜存在着制备成本高、机械强度差、难以投入应用的问题；混合基质碳纳米管膜中碳纳米管被其它膜材料包覆严重，掩盖了碳纳米管材料本身的优势；碳纳米管复合膜的渗透性能受到支撑层基体的限制，无法发挥出碳纳米管作为一维纳米材料的结构优势。

发明内容

本发明着眼于基于碳纳米管分离膜具有的巨大研究和市场前景，针对现有碳纳米管分离膜制备技术存在的缺点，提供一种简单、高效，易于规模化生产的碳纳米管/纳米纤维复合分离膜。本发明通过采用一维纳米纤维构成的无纺布为支撑层，在支撑层交联上碳纳米管作为分离层，使整个复合膜保留了一维纳米材料交织而成的网状孔结构。

本发明的技术方案：

一种基于碳纳米管/纳米纤维复合分离膜，分为支撑层和功能层两部分，静电纺丝制备的纳米纤维作为支撑层，碳纳米管作为分离层，碳纳米管覆盖在纳米纤维表面，碳纳米管经过交联剂1和交联剂2共同交联固定；其中碳纳米管和纳米纤维均为一维线性材料，两种线性材料构建三维网状孔结构分离膜，且通过线性材料互相交错缠绕增强支撑层与分离层之间相互作用，构成稳定的膜结构。

方案所述的支撑层材料可以为合成聚合物高分子、天然高分子、无机物醇盐，陶瓷前驱体等包括但不限于此，适宜于静电纺丝的材料均可用来制备纳米纤维支撑层。

交联剂1和交联剂2：聚丙烯酰胺和丁二酸、聚乙烯醇和戊二醛、聚乙烯醇和戊二酸、酚醛树脂与乙二酸。

膜形态包括平板膜、中空纤维膜、卷式膜三种。

一种基于碳纳米管/纳米纤维复合分离膜的制备方法，步骤如下：

第一步，纳米纤维支撑层的制备

(1)将作为支撑层的纺丝材料溶于对应的溶剂中，配制成质量分数在10％-20％之间的纺丝液，进行静电纺丝；将纺丝液通过微量进样泵缓慢注射，液滴在静电场作用下，向接收装置迁移拉伸成纳米纤维，调控静电纺丝电压密度1kV/cm，纺丝距离在10cm-20cm范围，根据浓度调控纺丝时间在4-20h，从接收装置上得到相应纳米纤维支撑层；

其中，根据膜形态不同，具体操作如下：