一种筋线增强型PVDF外压中空纤维膜的制备研究

摘要

聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜具有优异的综合性能被广泛应用于超微滤、膜蒸馏等膜分离技术领域，但在水流或气流的冲击作用和强烈扰动的操作环境下中空纤维膜易发生断丝的现象，缩短膜组件的使用寿命，极大的限制了中空纤维膜的广泛应用，因此研制高强度的中空纤维膜具有重要意义。本文设计了一种新的筋线增强型膜结构，并研究了其制备方法。利用自主设计的具有特殊结构的纺丝喷头，制备出一种具有高拉伸断裂强力的品字外形结构的外压式筋线增强膜。与圆形外形外压膜相比，品字外形外压膜具有更大的外表面积，可以提高中空纤维膜的纯水通量。 首先利用单因素实验探讨了纺丝喷头中针头类型、喷丝孔中心距离、针头位置比例以及针头探出长度等参数对筋线增强膜形貌和性能的影响，并通过膜纯水通量、抗压扁能力、最大孔径和破裂压力的测试，得到筋线增强膜最优性能的制备工艺参数:采用针头垂直式喷丝头，喷丝孔中心距4 mm，针头位置比例1∶2，针头探出长度5 mm的喷丝头参数制备出PVDF筋线位于三孔中间，膜壁厚均一的筋线增强膜，并且在不影响膜纯水通量的情况下，膜抗压扁能力和破裂压力达到最优。 在上述最优喷丝头参数的基础上，探究了纺丝过程中入水距离、卷绕速度等参数对筋线增强膜性能的影响，实验结果表明:当入水距离为11 cm，卷绕速度20.7 m/min时，制备的复合膜纯水通量为245 L·m-2·h-1，抗压扁能力为0.23 MPa，最大孔径为0.160μm，破裂压力为0.385 MPa，性能最优。然后在最优纺丝工艺的基础上探讨了不司膜壁厚度对筋线增拯膜的影响，结果发现，当膜壁厚度增加时，筋线增强膜的纯水通量下降，抗压扁能力和破裂压力上升，膜壁厚度减小有利于提高膜传质效率，但膜成型较为困难，因此在保证筋线增强膜成型工艺稳定的前提下，膜壁厚度为230μm的筋线增强膜具有最优的纯水通量和机械强度。 最后对比分析了单孔，三孔和筋线增强型中空纤维膜，通过对三种类型中空纤维膜的纯水通量，最大孔径，破裂压力，断裂强力等基本性能进行测试，结果表明，筋线增强膜相比单孔膜和三孔膜而言，其纯水通量略微下降，膜最大孔径和破裂压力没有明显变化，但膜的断裂强力较单孔膜提升了12倍左右，达到23.64N。因此PVDF筋线显著的提高了筋线增强膜的拉伸断裂强力，并且未对膜纯水通量造成负面影响。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1超微滤技术与PVDF中空纤维膜

1．1．1超微滤技术

1．1．2 PVDF中空纤维膜

1．2中空纤维膜的制备方法

1．2．1烧结法

1．2．2熔融纺丝-拉伸法(MSCS法)

1．2．3热致相分离(TIPS法)

1．2．4非溶剂致相分离(NIPS法)

1．2．5低温热致相分离(L-TIPS法)

1．3增强型中空纤维膜

1．3．1基膜支撑多层复合增强型中空纤维膜

1．3．2编织管增强型中空纤维膜

1．3．3纤维丝增强型中空纤维膜

1．3．4多孔通道增强型中空纤维膜

1．4课题研究的目的和内容

1．4．1本课题研究的目的和意义

1．4．2本课题研究的主要内容

第二章实验部分

2．1实验药品和仪器

2．2中空纤维膜的性能测试

2．2．1中空纤维膜的形态结构测试

2．2．2超滤水通量测试

2．2．3抗压扁能力的测试

2．2．4最大孔径和破裂压力测试

2．2．5断裂强力和断裂伸长率测试

2．2．6 PVDF纤维的力学性能测试

第三章PVDF纤维和筋线增强PVDF中空纤维膜的制备

3．1 PVDF筋线的制备

3．2筋线增强PVDF中空纤维膜的制备

3．3单孔、三孔中空纤维膜的制备

4．1不同外形轮廓的筋线增强膜的探究

4．2针头倾斜式喷丝头制备筋线增强PVDF中空纤维膜的探究

4．3针头垂直式喷丝头制备筋线增强PVDF中空纤维膜的探究

4．3．2喷丝孔中心距离对筋线增强膜形貌的影响

4．3．3喷丝孔中心距离对筋线增强膜性能的影响

4．3．4小结

4．4垂直式喷丝头的针头位置比例的探究

4．4．1针头位置比例对筋线增强膜形貌结构的影响

4．4．2针头位置比例对筋线增强膜性能的影响

4．4．3小结

4．5不同针头探出长度制备筋线增强膜的探究

4．5．1针头探出长度对筋线增强膜成型过程的影响

4．5．2针头探出长度对筋线增强膜形貌结构的影响

4．5．3针头探出长度对筋线增强膜性能的影响

4．5．4小结

4．6不同入水距离制备筋线增强膜的探究

4．6．1入水距离对筋线增强膜形貌结构的影响

4．6．2入水距离对筋线增强膜性能的影响

4．6．3小结

4．7不同卷绕速度制备筋线增强膜的探究

4．7．1卷绕速度对筋线增强膜形貌结构的影响

4．7．2卷绕速度对筋线增强膜，陛能的影响

4．7．3小结

4．8不同膜壁厚度的筋线增强膜的探究

4．8．1膜壁厚度对筋线增强膜形貌结构的影响

4．8．2膜壁厚度对筋线增强膜性能的影响

4．8．3小结

4．9单孔、三孔和筋线增强中空纤维膜的探究

4．9．1中空纤维膜形貌结构的对比分析

4．9．2中空纤维膜性能对比分析

4．9．3小结

第五章结论

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢