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静电纺丝技术(Electrospinning,简称电纺)是一种简单、有效的纳米纤维制备方法。纳米纤维具有高孔隙率、高比表面等特点,并且具有三维的内通孔结构,这些特点都使其在过滤方面具有极高的潜在应用价值。本文以静电纺丝技术为基础,挖掘和利用静电纺丝纳米纤维的独特优势,对膜科学与膜技术进行合理有效的创新性探索,并将两者有机结合,制备出具有高性能的不对称结构复合膜。本论文工作主要分为以下几个部分:
1.研究聚合物溶液电纺的影响因素,通过调控聚合物溶液性质,电纺参数以及环境条件三个方面,制备出适用于过滤复合材料的PVDF纳米纤维。同时总结出最为简单有效地调节电纺纤维直径大小的规律与方法,即控制聚合物喷射时的固化速度:固化速度越快,纤维直径越大;反之,纤维直径越小。各种通过改变参数以改变电纺纤维直径的过程,基本原理都在于此。这个基本原理对电纺技术工业化生产有着十分积极的指导意义。
2.深入研究涂覆法制备无孔滤膜技术,重点研究了壳聚糖涂覆法制备超薄膜,并对壳聚糖的优缺点分别进行合理优化和有针对性的改性。壳聚糖本身具有优良的水通透性和抗污染性,是非常理想的膜材料之一。但是其过高的水溶胀性以及不耐酸性都大大限制了其使用范围。壳聚糖可以应用于微米级乳液粒径分布的油水体系过滤中,并且过滤性能十分优异;但是在对粒径更小的血清蛋白(BSA)的过滤,表现出很强的蛋白质渗透残留效应。调控薄膜厚度,用以扩大其优点;对壳聚糖进行适度的体交联和面交联改性,用以克服其缺点。最终通过优化涂覆条件、交联密度等参数,制备出无缺陷、超薄、抗污染的,并具有优良耐酸碱性和对BSA有高截留效率的不对称结构复合超滤膜。此膜比商业优秀的超滤膜提高近20%的效率,同时抗污染性十分优异。
3.深入研究了Loeb-Sourirajan法的制膜工艺。Loeb-Sourirajan法是最常用的制备不对称滤膜的方法,一般工业Loeb-Sourirajan法制膜的铸膜液浓度均高于20wt%。然而低浓度聚合物的Loeb-Sourirajan法制膜却在世界范围内鲜有报道。本文中的工作着重研究了8wt%以下浓度的PVDF溶液Loeb-Sourirajan法制膜的特点,并通过优化铸膜液浓度、溶剂配比等参数制备出具有高孔隙率、低barrier厚度、窄孔径分布、极短孔程等特点,并且具有自相似树冠状支撑结构的屏式多孔膜(screen microporousmembrane,SMM);并复合以超细纳米纤维,稳定其过滤效果和机械强度,制备出具有优异性能的过滤膜。在对PS微球的过滤中,性能优异,尤其在对160nm的PS微球溶液过滤中,不仅保持了近100%的截留效率,而且保持了极高的水通量,比商业深层超滤膜有着近10倍的效率提升。更重要的是,此屏式膜具有极强的结构性抗污染性,水通量恢复表现十分卓著。
静电纺丝纳米纤维在膜科学与膜技术中的应用前景十分广阔,随着各种以静电纺丝纳米纤维为基础的高性能、功能化、智能化的复合膜的不断涌现,膜科学与膜技术也迎来了一个新的发展时期。