聚復(fù)合膜材料的制備與性能研究

空氣過濾是去除固體和有害氣體中含有石塊的過程。過濾方式有濾芯、濾網(wǎng)、濾布、濾紙、濾袋和膜等本文以聚砜(PSF)為原材料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為添加劑,聚丙烯熔噴材料為基底,在95℃凝固浴條件下,以不同聚砜固含量及不同配比量的添加劑,制得復(fù)合聚砜復(fù)合膜材料。并測試了膜材料的透氣性能、過濾性能、斷裂強力、孔徑等,采用掃描電鏡觀察膜材料的結(jié)構(gòu)。最后對所制備的復(fù)合膜的空氣過濾性能進行了表征。1實驗1.1聚乙烯吡咯烷酮及二甲基乙酰胺dmac聚砜(PSF)(化學(xué)純,蘇威(SOLVAY)集團);聚乙烯吡咯烷酮(PVP-k30)(化學(xué)純,杭州藍博工業(yè));二甲基乙酰胺(DMAc)(化學(xué)純,上海金山經(jīng)緯化工有限公司);熔噴聚丙烯非織造布(厚度0.1mm,平方米質(zhì)量30g/m1.2實驗設(shè)備和測試設(shè)備SHANGPINGFA2004電子天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海市實驗儀器制備廠);HH-6型電子恒溫不銹鋼水浴鍋(常州智博銳有限公司);攪拌電機(常州國華電器有限公司);HLKGH3125C型臺式涂膜機(蘇州圣懇自動化科技有限公司);YG461D數(shù)字式織物透氣量儀(溫州方圓儀器有限公司);SX-L1053濾料試驗臺(蘇州市蘇信凈化設(shè)備廠);YG026H-100電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司);JSM-5610LV掃描電鏡(日本株式會社);3H-2000PSI靜態(tài)容量法比表面及孔徑分析儀(貝士德儀器科技(北京)有限公司)。1.3初生膜的制備將聚砜(PSF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)放入烘箱,在120℃下烘2h。按照表1所示稱取適量的聚砜與PVP以及溶劑DMAc,置于250mL圓底燒瓶中。在80℃的水浴溫度下進行機械攪拌溶解(攪拌速度為150r/min),直至形成均一、透明、穩(wěn)定的鑄膜液。將鑄膜液靜置脫泡24h備用。將剪好的熔噴非織造布平整地固定在玻璃板上,調(diào)整刮刀的位置,厚度控制在70~72μm,調(diào)節(jié)涂膜機刮刀的速度為40cm/s。將鑄膜液傾倒在熔噴非織造布上,待刮刀勻速通過即可制得厚度均一的液態(tài)初生膜。初生膜在空氣中蒸發(fā)10s后,將其放入95℃的純水凝固浴中,待鑄膜液完全完成相轉(zhuǎn)化,將聚砜復(fù)合膜取出并轉(zhuǎn)移到純水中浸泡。每隔2h換一次凝固浴,用以除盡中的溶劑與添加劑。將制得的聚砜復(fù)合膜在低溫下烘干以備測試。1.4聚復(fù)合膜性能試驗1.4.1通風(fēng)能測試本試驗中所測得的透氣量是在兩艙室壓差為200Pa條件下,在一定測試時間內(nèi)垂直通過式樣一定面積的氣流量1.4.2濾料對氣溶膠粒子的截留效果0.3μm的聚苯乙烯溶膠在壓縮空氣的攪動下氣化,經(jīng)過干燥形成粒子在32L/min的濾速下,進入風(fēng)道計數(shù)器與壓力傳感器在濾料前后分別采樣計數(shù),并通過計算得到濾料對氣溶膠粒子的截留率(過濾效率)和阻力1.4.3斷裂強力測試按照GB/T24218.18—2014《紡織品非織造布試驗方法第18部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定》測定。每組試樣測量5次求其平均值。1.4.4孔徑分布特征本試驗中用CapillaryFlowPorometer1500-AE型氣孔計孔隙儀測量試樣材料的孔徑分布情況,得到膜的平均孔徑大小,用以分析材料孔隙特征式中:D1.4.5合膜試樣的選擇本試驗采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡對聚砜復(fù)合膜表面及橫截面進行觀察。首先要對所制得的聚砜復(fù)合膜進行選樣,盡量選擇厚度均勻、表面光潔的試樣,以便降低測試的誤差,提高電鏡觀察結(jié)果的準確性。將待測聚砜復(fù)合膜試樣分別進行裁剪并用液態(tài)氮氣進行萃斷,制得用來觀察表面和截面所需的試樣,對聚砜復(fù)合膜試樣進行鍍金處理,以方便觀察,選擇合適的放大倍數(shù),將相應(yīng)位置的圖像保存下來,進行后期的觀察比較2結(jié)果與討論2.1聚復(fù)合膜的優(yōu)點圖1是不同聚砜(PSF)配比量下所制得的復(fù)合膜透氣量的變化。由圖1可以看出隨著鑄膜液中聚砜固含量的增加,透氣量明顯下降。并且聚砜含量在14%至15%間增加時透氣量下降最為明顯。在聚砜含量12%、13%時,透氣量雖然有所下降,但是變化明顯平緩,降勢不明顯。這是由于聚砜復(fù)合膜在制作過程中,隨著PSF增多,復(fù)合膜更加致密,不易形成多孔,而且會在一定程度上抑制大孔形成。圖2是PSF含量在14%時,不同PVP含量的聚砜復(fù)合膜的透氣量。由2可以看出隨著添加劑PVP含量的增加,透氣量逐漸增加,這是因為PVP的增加使復(fù)合膜的孔隙增多,透氣量也隨之增加。在PVP配比量為11%時,達到透氣量最佳值。圖3為PSF質(zhì)量分數(shù)14%,PVP質(zhì)量分數(shù)11%時復(fù)合膜的表面電鏡圖。從圖3也可以看到,此時復(fù)合膜表面孔隙排列密集且較為均勻。PVP含量超過11%以后,復(fù)合膜的透氣量出現(xiàn)波動可能是受鑄模液的黏度的影響,由于PVP含量增加,鑄膜液黏度也隨之增加,將鑄膜液刮涂在熔噴非織造布上的時候,鑄膜液的滲透作用大大影響了刮涂厚度,也影響了材料的孔徑與孔徑分布,直接導(dǎo)致材料的透氣性能發(fā)生較大的浮動。2.2固含量的確定圖4是不同PSF配比量下的截留率。從圖4可以看出,隨著PSF固含量的增加,截留率呈增加趨勢。在PSF含量為14%時出現(xiàn)相對高點,在PSF固含量為17%時,截留率突然增大。這是由于隨著固含量的增加,聚砜復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)致密,通透性差,過濾效果好,同時過濾阻力也很大。考慮到透氣量的因素,以下實驗選取PSF的固含量為14%。圖5是不同PVP配比量下的過濾性能。從圖5直接反映出,隨著PVP配比量的增加,截留率呈現(xiàn)先增后減的趨勢,而透氣量是整體呈增加趨勢。原因是成孔劑PVP含量的增加使纖維周圍的膜表面形成了細密的孔,在PSF固含量不變的情況下,PVP的配比量在7%時,聚砜超濾膜的截留率達到最佳值。2.3熔噴非織造布的斷口分析將非織造布剪裁成5cm×20cm樣條進行拉伸實驗,熔噴非織造布基底材料的斷裂強力為16.5N,斷裂伸長為20.1%。在發(fā)生斷裂時,熔噴非織造布整體被拉伸破壞,斷口參差不齊。從圖6和圖7中可以看出,復(fù)合膜整體的強力有所提升,PSF含量的多少對于強力幾乎沒有影響,但對伸長率有較明顯的作用,隨著PSF含量增加伸長率逐漸下降。PVP的增加使強力略有下降,原因是復(fù)合膜表面孔的增多影響了整體強力。復(fù)合膜在斷裂發(fā)生時斷口比較平整,這說明整體的力學(xué)性能均勻。2.4聚復(fù)合膜的孔徑PSF含量為14%時,不同含量PVP條件下復(fù)合膜孔徑數(shù)據(jù)如表2示。從表2數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)PVP含量上升,平均孔徑逐漸增大,最大孔徑逐漸減小,說明PVP的存在不僅可以使復(fù)合膜表面成孔而且可以使孔徑大小更均勻,可能的原因是鑄膜液在熔噴布的滲透更加均勻,與纖維的結(jié)合更加緊密,減少了大孔的形成。2.5聚復(fù)合膜的透氣性能圖8、圖9是聚砜復(fù)合膜的電鏡掃描圖。從圖8、圖9可以看出,加入不同配比量的PVP會導(dǎo)致復(fù)合膜表面及斷面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。PVP含量為7%時,鑄膜液涂層大部分覆在熔噴非織造布的表面,并且形成均勻分布的孔隙。PVP含量為9%時,孔隙少,并且發(fā)生了較小的滲透作用。電鏡圖片上的白色點為聚苯乙烯氣溶膠粒子,表明其過濾機理從單一的纖維過濾轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻孢^濾與纖維過濾相結(jié)合,其過濾過程不僅發(fā)生在聚砜復(fù)合膜的表面,支撐材料對氣溶膠粒子會進行二次過濾,這大大提高了復(fù)合材料的截留率。在PVP含量為10%時,復(fù)合膜表面孔隙多,孔隙尺寸也有所增加,膜與纖維之間的結(jié)合更為緊密。對照該試樣的透氣性與截留率發(fā)現(xiàn),該試樣的透氣性與截留率都較高。從圖9斷面圖中可以看出,熔噴非織造布表面涂覆聚砜超濾膜鑄膜液后,有不同程度的滲透,并且致使原熔噴布產(chǎn)生一定程度的分層。膜材料一般來講包含皮層、支撐層與底面皮層三層結(jié)構(gòu)。而本文所制作的聚砜復(fù)合膜由于鑄膜液的滲透作用,本該在膜層與熔噴布之間產(chǎn)生的底面皮層結(jié)構(gòu)并不完整,并且支撐層的指狀孔結(jié)構(gòu)(相轉(zhuǎn)化過程在支撐層出現(xiàn)的類似通道的結(jié)構(gòu))由于纖維作用,使得指狀孔結(jié)構(gòu)被破壞,無法在電鏡掃描中觀察到。這使得在過濾過程中,增大了部分阻力,同時也會提高截留率。3聚含量對復(fù)合膜過濾性能的影響改變聚砜(PSF)鑄膜液的配比,得到不同結(jié)構(gòu)與性能的聚砜復(fù)合膜材料。通過對復(fù)合膜的透氣量測試、截留率測試、孔徑測試、