一種高效可調(diào)的混合液體分離纖維膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能性微納米纖維材料技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種高效可調(diào)的兩相混合液體分離的靜電紡絲纖維膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，針對(duì)原油的泄漏和生產(chǎn)生活中含油污水的產(chǎn)生和排放對(duì)環(huán)境造成的巨大污染和破壞，大量的有關(guān)油水分離的研究進(jìn)展不斷被報(bào)道并取得了重大成就。然而分離出的油相往往并不是單一的，而是多種有機(jī)溶劑的混合物。傳統(tǒng)對(duì)混合有機(jī)液體的分離多是通過(guò)蒸餾、萃取等傳統(tǒng)方法，分離過(guò)程不僅浪費(fèi)大量的物質(zhì)和材料資源，并且能耗高、分離效率低，分離過(guò)程中易產(chǎn)生二次污染。在這一背景基礎(chǔ)上，采用高效簡(jiǎn)單，低耗能的方法進(jìn)行混合有機(jī)液體的進(jìn)一步分離已成為關(guān)系到生活、環(huán)境和發(fā)展的重要問(wèn)題。受油水分離工作的啟發(fā)，設(shè)計(jì)和制備具有特殊浸潤(rùn)性材料成為實(shí)現(xiàn)混合有機(jī)液體分離的新突破口。利用浸潤(rùn)性實(shí)現(xiàn)對(duì)具有不同表面張力，非互溶兩相混合無(wú)機(jī)或有機(jī)液體的分離具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。
[0003]靜電紡絲法是指聚合物或熔融物溶液在高壓靜電場(chǎng)的作用下從噴嘴流出，在足夠的靜電場(chǎng)作用下液滴表面的電荷排斥力逐漸增強(qiáng)并克服液滴表面張力在捕集電極上形成納米纖維絲的過(guò)程。靜電紡絲技術(shù)操作簡(jiǎn)單，普適性強(qiáng)，制備的纖維比表面積大，是有效的制備微納米纖維的一種方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)目前混合有機(jī)液體的分離現(xiàn)狀，提供了一種高效可調(diào)控混合無(wú)機(jī)或有機(jī)液體分離范圍的特殊浸潤(rùn)性纖維膜及其制備方法。
[0005]本發(fā)明制備的纖維膜可以保證浸潤(rùn)性液體透過(guò)，而非浸潤(rùn)性液體不能透過(guò)，從而達(dá)到不同表面張力混合液體分離的效果。
[0006]本發(fā)明所制備的纖維膜的疏液能力可以通過(guò)改變氟硅烷與聚偏氟乙烯合六氟丙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酸甲酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯等疏水性聚合物的比例進(jìn)行調(diào)控。制備的具有不同表面能的纖維膜分別具有不同表面張力范圍內(nèi)的混合液體分離能力，有望在混合有機(jī)液體分離上發(fā)揮重大意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0007]本發(fā)明所提供的高效可調(diào)控混合液體分離范圍的特殊浸潤(rùn)性纖維膜的制備采用靜電紡絲技術(shù)，該方法操作簡(jiǎn)單，所制得的纖維膜是由納米纖維直徑在lOOnm?3μπι范圍內(nèi)，分布均勻，強(qiáng)度高。所述的制備方法具體包括以下幾個(gè)步驟:
[0008](1)在室溫下，將低表面能物質(zhì)Α和疏水性聚合物Β溶解在有機(jī)溶劑中充分?jǐn)嚢柚镣耆芙?，得到含有疏水性聚合物B的質(zhì)量百分含量為8 %?20 %的聚合物溶液，作為紡絲液；
[0009]所述低表面能物質(zhì)A和疏水性聚合物B的質(zhì)量比為1:(5?30)。
[0010]所述的低表面能物質(zhì)A為甲氧基娃燒、乙氧基娃燒、苯基娃燒、燒基娃燒、氣基娃烷、環(huán)氧硅烷、酰氧基硅烷、乙烯基硅烷、異氰酸丙基三乙氧基硅烷和氟酸中的一種或幾種，所述的疏水性聚合物B為聚偏氟乙烯合六氟丙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酸甲酯、聚丙烯腈和聚苯乙稀等其中的一種或兩種。
[0011 ]所述的有機(jī)溶劑為溶劑A與溶劑B的混合溶劑，溶劑A與溶劑B的質(zhì)量比為(5:4)?(7:3)。所述的溶劑A選自四氫呋喃或丙酮中的任意一種，所述的溶劑B選自N，N-二甲基甲酰胺和N，N-二甲基乙酰胺中的任意一種。
[0012](2)將上述得到的紡絲液置于靜電紡絲裝置的注射器中，所述注射器的針頭直徑為0.4?1.2mm，工作距離為15?25cm，通過(guò)在接收基底和紡絲噴頭之間施加8?25kV的高壓靜電場(chǎng)，紡絲液在高壓靜電場(chǎng)的作用下拉伸，并在接收基底上得到靜電紡絲多孔網(wǎng)狀纖維膜。
[0013]該纖維膜可以從基底上剝離并能夠自支撐。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備纖維直徑范圍在lOOnm?3ym之間；
[0014]該纖維膜的疏液能力可以通過(guò)改變低表面能物質(zhì)Α和疏水性聚合物Β的比例進(jìn)行調(diào)控。本發(fā)明制備了不同表面能的纖維膜。低表面能物質(zhì)A的含量越高，所制得的纖維膜的表面能越低，疏液能力越強(qiáng)。所制備的每一種纖維膜都具有優(yōu)異的混合液體分離能力和不同表面張力大小的液體分離范圍。
[0015]本發(fā)明還提供一種所述的通過(guò)靜電紡絲制備的纖維膜的應(yīng)用，具體是指所述的纖維膜可以用于無(wú)機(jī)液體水與有機(jī)液體形成的兩相不互溶混合液體的分離或有機(jī)液體與另一種有機(jī)液體等兩相不互溶的混合液體的分離，除水，除油和對(duì)復(fù)雜化學(xué)產(chǎn)物的高效分離與處理等。
[0016]本發(fā)明提供的高效可調(diào)控混合無(wú)機(jī)或有機(jī)液體分離范圍的特殊浸潤(rùn)性纖維膜采用高機(jī)械性能的疏水性聚合物B和低表面能能物質(zhì)A為原料，制備方法簡(jiǎn)單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的制備和實(shí)際應(yīng)用，材料可以多次循環(huán)利用。
[0017]本發(fā)明所公開(kāi)的一種高效可調(diào)控混合液體分離纖維膜及其制備方法優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]1.本發(fā)明制備的可用于混合液體分離的纖維膜，不僅可以用于無(wú)機(jī)/有機(jī)混合液體分離，還可以用于有機(jī)/有機(jī)混合液體的分離?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)纖維膜表面能控制液體的分離范圍，應(yīng)用范圍廣。
[0019]2.本發(fā)明提供一種可調(diào)控范圍的混合液體分離膜，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備，微納米尺度的纖維尺度使該膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能和較大的比表面積。制備方法簡(jiǎn)單易操作，效率高，可以用于大規(guī)模制備混合液體分離膜。
[0020]3.本發(fā)明相比傳統(tǒng)的油水分離和有機(jī)溶劑分離，可以高效的處理更復(fù)雜的分離情況，性能優(yōu)異，分離效率高。有望在實(shí)際的液體分離和復(fù)雜化學(xué)產(chǎn)物處理以及環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮重大的重要作用。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1:制備該纖維膜所采用的靜電紡絲裝置示意圖；
[0022]圖2:所制備的聚偏氟乙烯合六氟丙烯的電紡纖維掃描電鏡照片；
[0023]圖3:所選用液滴甲酰胺(2μυ在制備的聚偏氟乙烯合六氟丙烯的電紡纖維上形成的CA= 132.4±1.4°的靜態(tài)接觸角示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于此。
[0025]實(shí)施例1:采用本發(fā)明提供的方法制備高效可調(diào)的混合液體分離纖維膜，具體步驟如下:
[0026](1)選取低表面能物質(zhì)A為甲氧基硅烷中的一種，十七氟癸基三甲氧基硅烷，選取疏水性聚合物B為聚偏氟乙烯合六氟丙烯(均重分子量為400,000),選取有機(jī)溶劑為N，N-二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶劑。在室溫下，將低表面能物質(zhì)A和疏水性聚合物B溶解在有機(jī)溶劑中充分?jǐn)嚢柚镣耆芙?，得到含有疏水性聚合物B的質(zhì)量百分含量為15%的聚合物溶液，作為紡絲液。
[0027]有機(jī)溶劑中，N，N_二甲基乙酰胺和丙酮的質(zhì)量比為3:7。聚偏氟乙烯合六氟丙烯和十七氟癸基三甲氧基硅烷的質(zhì)量比為30:1。
[0028](2)將經(jīng)步驟(1)制備的紡絲液置于靜電紡絲裝置的注射器噴頭中，選擇金屬噴絲頭直徑為0.5?0.8mm，施加18kV的電壓，在工作距離為15?25cm時(shí)進(jìn)行靜電紡絲。紡絲液在靜電力作用下克服表面張力被拉伸成絲，在基底上收集得到多孔網(wǎng)狀纖維膜，即為本發(fā)明的混合液體分離纖維膜。
[0029]靜電紡絲裝置如圖1所示，包括注射器1、噴絲頭2、高壓電源3和接收基底4，在所述噴絲頭2和接收基底4之間連接高壓電源3，紡絲液置于所述的注射器1內(nèi)，經(jīng)由注射器1噴出的電紡纖維被收集到接收基底4上，并可以自支撐。
[0030]上述方法制備的混合液體分離纖維膜中，電紡纖維的平均直徑為517±llnm，如圖2所示形貌，電紡纖維相互交疊形成三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯合六氟丙烯無(wú)紡布纖維膜。室溫下測(cè)量甲酰胺液滴(2μυ在該混合液體分離纖維膜上的靜態(tài)接觸角大于130°，如圖3所示，靜態(tài)接觸角CA= 132.4± 1.4°。而表面張力小于36mN/m的液體，如丙二醇、二甲苯、四氯化碳、正戊烷、正己烷、乙醚等在該混合液體分離纖維膜上形成的接觸角小于20°或可以鋪展?？梢?jiàn)本發(fā)明對(duì)于處于不同表面張力范圍的液體具有不同的浸潤(rùn)性。在該混合液體分離纖維膜上呈疏態(tài)的液體不能從該混合液體分離纖維膜上透過(guò)，而呈親態(tài)的液體可以透過(guò)。因此本發(fā)明可以用于在該纖維膜上具有親疏性差異的任意兩相不互溶混合有機(jī)液體的分離。
[0031]此外，無(wú)機(jī)液體水在該聚偏氟乙烯合六氟丙烯和十七氟癸基三甲氧基硅烷質(zhì)量比為30:1的纖維膜上形成的接觸角為133.6±2.1°，呈疏液性，不能從該纖維膜上透過(guò)，因此該纖維膜還可以用于無(wú)機(jī)液體水和在該纖維膜上呈浸潤(rùn)性的任一有機(jī)液體形成的兩相混合液體的分離。
[0032]實(shí)施例2
[0033](1)將純的聚偏氟乙烯(均重分子量為534，000)和十七氟癸基三甲氧基硅烷溶解于有機(jī)溶劑中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的聚偏氟乙烯均一溶液。所述的有機(jī)溶劑為分析純的質(zhì)量比為4:5的N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶劑。其中聚偏氟乙烯和十七氟癸基三甲氧基娃燒的質(zhì)量比為15:1。
[0034](2)將經(jīng)步驟(1)制備的紡絲液置于靜電紡絲裝置的注射器噴頭中，選擇金屬噴絲頭直徑為0.5?1.2mm，施加22kV的電壓，在工作距離為15?25cm時(shí)進(jìn)行靜電紡絲。紡絲液在靜電力作用下克服表面張力被拉伸成絲，在接收基底上收集得到三維多孔網(wǎng)狀纖維膜，即本發(fā)明的混合液體分離纖維膜。
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