超高相对分子质量聚乙烯中空纤维膜的制备与性能研究

摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有平面锯齿状结构，分子链长且没有侧基，所制的中空纤维膜材料与其他膜材料相比具有膜强度高、原料易得、价格低廉等优点，从而可被广泛应用于污水处理、医用中空纤维膜分离、中空膜反应器等诸多领域。本论文对不同条件下制得的超高分子量聚乙烯中空纤维膜的结构性能进行了大量的测试与研究。
　　首先，以UHMWPE为原料，白油作为稀释剂，二甲苯作为萃取剂，采用热致相分离法制备了 UHMWPE中空纤维膜。研究发现，UHMWPE/白油体系的相分离是由 UHMWPE结晶引起的固-液相分离，相分离温度随溶液浓度的增大而升高，随溶液冷却速率的增大而降低。随着UHMWPE分子量或溶液浓度的增大，UHMWPE中空纤维膜孔径变小，水通量和孔隙率降低，而对牛血清蛋白的截留率变大，纤维膜断裂强度变大。随着拉伸倍数的增加，纤维网络沿纤维轴线取向，孔隙率降低，纤维膜断裂强度变大，结晶度和取向度有一定程度的增加。
　　然后，加入碳酸钙无机颗粒作为添加剂，共混制备了UHMWPE/CaCO3中空纤维膜。研究发现，加入无机颗粒后纤维膜水通量有一定程度提高，孔隙率和截留率则降低，用盐酸处理后，水通量进一步提高，孔隙率上升，截留率下降。在拉伸过程中，无机颗粒和聚合物之间形成了界面微孔，并且随着拉伸倍数的增加，这些界面微孔被拉长变大，而由热致相分离而形成的UHMWPE微孔则有部分闭合现象。两方面的共同作用，使UHMWPE/CaCO3共混中空纤维膜的水通量和孔隙率在2倍拉伸倍数的情况下达到最大，3倍拉伸时则变小，而截留率变化趋势则相反。随着拉伸倍数的增加，共混中空纤维膜的断裂强度增大，纤维膜熔点、结晶度、晶粒尺寸和晶区取向度均有一定程度增大。
　　最后，使用PEG20000作为亲水改性剂，共混入UHMWPE溶液，制备了亲水改性的UHMWPE中空纤维膜，又使用了等离子体对UHMWPE中空纤维膜进行亲水改性。研究发现，和未改性的UHMWPE中空纤维膜相比，加入PEG后改性中空纤维膜孔径、孔隙率均增大，截留率则减小。随着加入PEG20000的含量不断增加，中空纤维膜的亲水性能逐渐提高，但是对孔径，孔隙率和截留率的影响不明显，中空纤维膜的力学性能则稍有降低。随着中空纤维膜在水中浸泡时间的变长，由于PEG20000的流失，中空纤维膜的亲水性能降低。未改性的中空纤维膜易受到蛋白质的污染，使得牛血清蛋白的通量衰减，清洗后恢复量比较低。改性后的中空纤维膜蛋白质通量和恢复量有明显提升，牛血清蛋白的通量衰减也相对缓慢，纯水通量也有所提高。而经过氩气等离子体表面处理后，UHMWPE纤维膜表面形成裂缝和沟壑，表面变得粗糙，并且随着处理时间的变长，中空纤维膜的亲水性变强。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 中空纤维膜性能与应用

1.3 中空纤维膜的制备方法

1.4 超高相对分子质量聚乙烯中空纤维膜的研究

1.5 本文研究内容及创新点

第二章 UHMWPE中空纤维膜的影响因素研究

2.1 实验原料与仪器

2.2 UHMWPE中空纤维膜的制备与性能测试

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 无机颗粒添加剂对UHMWPE中空纤维膜结构性能的影响

3.1 实验原料与仪器

3.2 UHMWPE/CaCO3中空纤维膜的制备与性能测试

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 UHMWPE中空纤维膜的亲水性改性

4.1 实验原料与仪器

4.2 亲水性UHMWPE中空纤维膜的制备与性能测试

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章全文总结

参考文献

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