聚砜中空丝支撑膜结构及性能的研究

聚砜中空丝支撑膜结构及性能的研究郭勇师培伦杨立明(中国科学院化学物理研究所,兰州730000)摘要聚砜(PS)为材料,用特制的喷丝头,以干湿法制备了适用于PDMS-PS复合膜的PS中空纤维多孔支撑膜.研究了纺丝液配方、温度及纺丝速度、蒸发距离等有关工艺条件对PS多孔底膜结构的影响,用扫描电子显微镜观察分析其微观结构.对PS多孔底膜结构与PDMS-PS复合膜透气性关系进行了初步的讨论.研制的用于空气富氧的直径100mm×1000mmPDMS-PS中空纤维复合膜组件的性能参数为:透量12Nm3/h·0.5MPa,氧体积分数为27.8%.关键词聚砜中空纤维添加剂分类号TQ26TQ028.8气体分离膜按其形态结构一般可分为均质膜和不对称膜.不对称膜主要用于实际应用过程,而均质膜一般只限于实验室中膜材料的性能研究.复合膜是70年代形成与发展起来的一种异质不对称膜结构形式,它由致密分离层和多孔支撑层构成.该结构的优点在于它可以通过具有良好物理、化学稳定性及机械性能的多孔支撑体的帮助,使易形成致密分离膜的高透性膜材料超薄化,从而赋予整个膜良好的气体渗透分离性能及满足应用环境要求的机械性能.除上层的致密层外,下部多孔支撑体的结构对整个复合膜的透气性也有很大影响.聚砜(PS)具有良好的耐热、耐酸碱及化学稳定性,良好的耐生物侵蚀及机械性能,是一种比较理想的制备多孔膜的高分子材料.它既可制成平膜,也可制成中空纤维膜,被广泛用于各种膜分离过程.依据不同的膜分离过程,对PS多孔膜的微观结构要求也不尽相同.国内外有关PS用于气体分离中空纤维多孔底膜的文献报道并不少见[1～6].但极少有关纺制配方和详细工艺的报道,通常只限于一般的讨论.本研究着重讨论了用于空气富氧的甲基硅橡胶(PDMS-PS)复合膜中PS中空纤维多孔支撑膜的制备及纺制配方、工艺条件等因素对多孔膜结构的影响.用电镜观察分析中空纤维的形态结构,通过组装PDMS-PS复合中空纤维膜式空气富氧组件,对PS多孔支撑膜的结构与PDMS-PS复合膜的透气性关系进行了初步探讨.1实验1.1原料聚砜(PS),工业品,特性粘度[η]为0.5～0.63Pa·s,上海曙光化工厂;N-甲基吡咯烷酮(NMP),分析纯,进口分装;收稿日期:1997-01-13;修改稿收到日期:1997-06-02第一作者:男,28岁,学士,研实员第17卷第6期膜科学与技术Vo1.17No.61997年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYDec.1997DOI:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.1997.06.007二甲基乙酰胺(DMAC),工业纯,上海向阳化工厂;二甲基甲酰胺(DMF),分析纯,沈阳试剂三厂;乙二甲醇单甲醚,分析纯,进口分装;乙二醇、聚乙二醇,化学纯,上海试剂厂;Span、吐温系列.1.2中空纤维纺制将聚砜、二甲基乙酰胺和不同种类的添加剂,按一定比例配制成多元纺丝液,湿度控制在50～80℃,搅拌溶解,经一定时间的加热脱泡后,采用干湿法纺丝工艺纺制中空纤维.丝外径为1.5～1.8mm,内径为0.5～0.8mm.将纺成的中空纤维经不同条件处理,干燥后待用.2结果与讨论在纺制中空纤维的过程中,影响中空纤维质量和结构的因素大体上可分为:1)工艺条件的影响,如:绕丝速度、纺丝液的温度、纺丝过程的压力、芯液的配比和温度、凝固浴温度和蒸发部分的距离等;2)原液组成成份的影响,如:添加剂组份及用量、聚合物含量等.这两大因素在实验和生产过程中既有制约又有联系.2.1工艺条件和影响在纺丝过程中可以利用卷绕速度的变化来控制中空丝的粗细或丝壁的薄厚.在其它工作条件不变的情况下,提高卷绕速度可得到较细的丝,并且丝壁较薄,表面形成微密皮层;降低卷绕速度则结果相反.纺丝过程中控制好卷绕速度是必要的工艺过程.经反复试验及对所纺制的ZPS中空丝结构的分析,我们认为控制纺丝速度在30～50m/min之间较为合适.纺丝原液的温度是指胶液在离开喷丝头时的温度,在纤维纺制过程中,纺丝原液的温度应与其它相关条件匹配.胶液的粘度随胶液中添加剂、聚合物含量改变而变化.因此,胶液的纺丝温度也随之发生变化.一般而言,胶液的粘度越高,纺丝的温度也相应提高.若温度过高,则海绵体形态欠佳;而温度过低,胶液的流动性能又较差,在纺丝时对压力的感应较迟钝,一味地升高压力来增大胶液流动,对纺丝中其它条件的匹配产生一定的困难.所以,对特定组成的纺丝原液其纺丝温度也是相对一定的,我们配制胶液粘度在1.2～1.7Pa·s之间,纺丝温度一般控制在45～70℃之间.在纺丝过程中施加于原液的压力,应与卷绕速度、纺丝原液的温度相适应.原液在较低温度下,压力提高后喷出的中空丝易产生偏心.如电镜照片图1(a)所示.由于丝壁厚度不同,在一定的外压作用下