聚氯乙烯/聚乙烯醇缩丁醛共混超滤膜的制备与性能表征

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聚氯乙烯(PVC)材料成膜性和亲水性较差,必须加以改性才能应用到水处理膜的制造中。本文针对PVC膜应用过程中的问题采用亲水性的聚合物——聚乙烯醇缩丁醛(PVB)对PVC进行共混改性,研究了PVC/PVB共混相容性、PVC/PVB共混平板超滤膜的制备工艺,在此基础上研究开发了PVC/PVB共混九通道超滤膜,并对其制备工艺进行了优化。论文的创新性和工程应用价值体现在以下几个主要方面:1、首次采用混合焓值、Florry-huggins相互作用参数、稀溶液粘度法(Dilute Solution Viscosity,简称DSV法)等理论和试验方法,对PVC/PVB聚合物对的相容性进行了预测和分析。理论预测的结果表明:理论上PVC/PVB为完全相容体系,在PVC/PVB共混比大于3/7时,以PVC为第一组分的共混体系相容性优于以PVB为第一组分的共混体系。DSV试验测试的结果表明:PVC与PVB相容性具有较好的相容性,且相容性与共混比、浓度、温度等因素有关;在试验范围内PVC/PVB共混体系相容性随着聚合物浓度的增加而增大,并在45℃时体系的相容性最好。2、在DMAc-PVC/PVB共混平板超滤膜的制备中,采用控制变量的方法,考察了铸膜、制膜、凝胶成膜等不同工艺环节中相关工艺参数对铸膜液的动力黏度、凝胶特性、动力学传质过程的影响,以及上述工艺参数对平板超滤膜的微观结构、孔隙率、截留率和水通量的影响。研究结果表明:1)DMAc-PVC/PVB体系及DMAc-PVC/PVB-Additive体系分相机制都是延迟分相,工艺参数的变化对凝胶的延迟分相时间t1的影响不大,主要是通过影响液液分相时间(即分相速率)t2来影响膜的结构和性能;总体来说动力学传质的影响超过了热力学相分离过程的影响,膜的结构和性能主要取决于动力学传质过程。2)优选得到如下平板超滤膜的制备工艺条件: wt%(PVC+PVB)=18%,PVC/PVB=7/3,添加剂为PEG600,且wt%(PEG600)=5%;铸膜温度和刮膜温度均控制在40℃,环境温度为室温25℃,环境湿度控制在70~75%,蒸发时间10s,凝胶浴组成为DMAc与水的溶液,其中DMAc体积含量为30%,凝胶浴温度40℃。该工艺下最终得到膜的水通量可高达120L/m2hr,对牛血清蛋白BSA的截留率也高达90%以上。3、通过设计九通道喷丝头,摸索制备条件,本论文成功地研发了PVC/PVB共混九通道超滤膜。论文中主要论述了九通道中空膜的优化过程和结果。在铸膜温度40℃,铸膜液挤出压力0.2MPa,空气湿度70%,芯液为DMAc体积含量为30%的水溶液,芯液温度40℃,芯液流量6ml/min,凝胶浴为水,凝胶浴温度40℃;收丝槽温度40℃,卷绕速度以不对膜产生拉伸为准的实验条件下,采用均匀实验设计法,以聚合物共混物的浓度(X1)、PVC在PVC/PVB共混物中的质量百分比(X2)、添加剂PEG600的浓度(X3)、铸膜温度(X4)和蒸发时间(X5)为因素,设计了5因素5水平的均匀实验;通过回归分析得到了描述膜性能和各影响因素之间定量关系的模型方程。并以水通量为优化目标,截留率为限制变量,通过网格法用Matlab编程确定了试验范围内的最优实验方案。得出以下结论:水通量回归方程J=2789.609-258.995X1+6.179X11+0.184X35-0.013X45和截留率回归方程R=71.328-2.771X5+0.009X12+0.116X15-0.003X44+0.296X4是表征膜性能与各影响因素之间关系以及优化工艺参数的有效模型;以水通量回归方程为目标函数,截留率回归方程为约束函数进行优化计算,得出最优工艺参数组合为聚合物浓度17%,PVC/PVB=9/1,PEG600的浓度9%,铸膜和纺丝温度40℃,干纺程14.3cm;最终制得水通量为188.67L/m^2hr,对牛血清蛋白BSA的截留率为80.74%的PVC/PVB共混九通道超滤膜。
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