制膜参数对含有高分子液晶超滤膜结构的影响

收稿日期：2001-07-02基金项目：国家自然科学基金资助项目（29874007）·作者简介：王宏光（1966-），女，辽宁新民人，东北大学工程师·2002年4月第23卷第4期东北大学学报（自然科学版）JournalofNortheasternUniversity（NaturalScience）Apr.2002Vol.23，!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!No.4文章编号：1005-3026（2002）04-0394-04制膜参数对含有高分子液晶超滤膜结构的影响王宏光，李艳香（东北大学理学院，辽宁沈阳110004）摘要：研究了高分子液晶浓度、添加剂含量、蒸发温度和蒸发时间四种制膜参数对含有高分子液晶的聚砜超滤膜结构的影响.结果表明，除添加剂含量外，其他制膜参数都是通过改变初生态膜（液态膜）表层聚合物浓度影响膜表层孔径及孔隙率.在一定范围内，高分子液晶浓度增加，膜表层孔径减小、孔隙率增加，超过此范围则结果相反.添加剂浓度的增大，使膜的孔隙率升高，而且使膜内部指状孔长度增加、连通性增强.关键词：超滤膜；高分子液晶；聚砜；制膜参数中图分类号：TO028.8文献标识码：A在许多生产和研究领域都要用到分离和浓缩，传统的分离方法如过滤、蒸馏、重结晶等，既大量消耗能源，又达不到充分分离的效果·膜分离技术由于具有工艺简单、投资低、耗能少及环境污染小等优点，目前已在制药［1］、食品［2］、环保［3］等工业上得到广泛应用，因此膜材料的研究与开发具有十分重要的意义，现已开发出各种功能高分子膜材料［4!6］·由于聚砜具有良好的机械强度和化学稳定性，而且价廉易得，国内外利用聚砜和液晶制备了反渗透膜［7］、气体分离膜［8］、聚合物电解质膜［9］，但含有高分子液晶的聚砜超滤膜尚未见报道·本文研究了用一种主链高分子液晶［10］与聚砜共混制备超滤膜时，制膜参数即高分子液晶浓度、添加剂含量、蒸发温度和蒸发时间对膜结构的影响，为制备性能优良的含高分子液晶超滤膜提供一定的理论基础·1实验1.1主要原料与仪器聚砜（PS）；高分子液晶（LCP）；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；牛血清白蛋白（BSA）；N-甲基-2-吡咯烷酮：分析纯·扫描电子显微镜（SEM）：505型；杯型超滤器：有效膜面积23.7cm2；紫外分光光度计：751G型·1.2膜的制备与性能测试用浸入沉淀相转换法制备超滤膜·一般制膜条件：聚砜质量分数为15%，高分子液晶为1.5%，聚乙烯吡咯烷酮为8%，制膜液温度80C，蒸发温度80C，蒸发时间3!5s，环境湿度35%，凝胶水浴温度为室温·性能测试：在杯形超滤器中，先将膜预压（0.15MPa，2h），然后在室温、0.1MPa压力下用去离子水测定水通量，用0.05%!0.1%（质量分数）的牛血清白蛋白溶液测定截留率·1.3膜结构测定孔隙率的测定方法见文献［11］，用扫描电子显微镜（SEM）观察膜断面的形态结构·2超滤膜的基本结构超滤膜是多孔膜，一般由表层和多孔底层组成·表层上孔的类型基本有两种：聚合物网络孔和聚合物聚集体孔·聚合物网络孔是由聚合物链段间空隙产生的，聚合物聚集体孔主要是邻近的聚合物聚集体和聚集体之间形成的空隙·聚集体孔较大较均匀，网络孔较小且不均匀·膜内部结构有指状孔结构、海绵结构等·3制膜参数对膜结构的影响3.1高分子液晶质量分数（!（LCP））表1为不同质量分数（!（LCP））时测得的膜性能与结构数据·表1!（LCP）对膜性能与结构的影响Table1EffectsofconcentrationofLCPonProPertiesandstructureofmembrane!（LCP）／%水通量／（L·m-2h-1）截留率／%孔隙率／%07206786.60.56507988.91.55459390.72.04008787.52.53508585.3以上数据表明：!水通量随!（LCP）的增高而下降·在!（LCP）!1.5%时，截留率随!（LCP）的增高而增加，当!（LCP）1.5%时，截留率随!（LCP）的增加而减小·#孔隙率的变化趋势与截留率相同·这是因为当!（LCP）!1.5%时，含量较少的LCP能均匀地分散于含量较多的聚砜铸膜液中，且两种聚合物能完全互溶，形成大分子间的互穿网络，因此铸膜液为均相溶液·LCP的加入增加了膜表层的聚合物浓度，使聚合物网络数增加，形成致密表层并形成大量较小的孔，因此膜孔径变小，孔隙率增加，表现在性能上就是水通量下降，截留率上升·当!（LCP）1.5%时，LCP分子间自聚趋势加强，形成胶束聚集体，溶液的整体混溶性变差，出现微相或相分离，导致聚合物微相在固化后形成较大的相间孔，且单位体积内的孔数减少，故膜孔径变大、孔隙率降低，膜性能正