[发明专利]一种超高分子量聚乙烯微孔膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，尤其是涉及一种超高分子量聚乙烯微孔膜的制备方法，制得的超高分子量聚乙烯微孔膜特别用于水处理过程中的微滤膜或超滤膜。

背景技术

相比于传统化工分离过程，膜分离技术以高效率、低能耗、操作简便等特点，已广泛应用于航空航天、生物制药、石油化工、食品、能源、海水(苦咸水)淡化、医疗保健等领域，特别与节能、环境保护、水资源开发利用和再生资源等极为密切。

膜分离技术研究的内容，一是分离膜的制备。通过控制不同的制备方法和改进膜结构，制备不同孔径、高孔隙率和渗透率的聚合物膜材料，提高膜的分离选择性；二是膜材料的选择，主要包括合成适应各种分离需求的新型膜材料以及对已有膜材料进行改性以提高膜分离的功能；三是膜分离过程的开发，利用现有的膜材料，拓展其应用范围，如近年来利用现有膜材料发展起来的渗透汽化、膜蒸馏、膜萃取、液膜电渗析、亲水膜分离、促进传递、膜反应过程等。膜分离过程的基本要件是过滤组件，核心是组件中的过滤膜，并以有机高分子材料制成的微孔过滤膜与组件为主。不同结构膜材料的制备是膜分离技术得到应用的前提，也是膜材料最重要的研究内容之一。制备高分子微孔膜的方法很多，例如拉伸法、热致相分离法、浸没沉淀法等。其中热致相分离法(TIPS)是重要而且广泛应用的方法之一，它适用于制备在常温下找不到良溶剂的聚合物，尤其是许多结晶性聚合物。

目前，采用TIPS法制备聚合物膜材料主要集中在高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。超高分子量聚乙烯由于其优良的力学性能、生物相容性和化学稳定性，极好的耐摩擦和抗冲击性能，使制备得到的超高分子量聚乙烯微孔膜机械强度大，在污水处理中长期使用性能稳定，不易降解等综合特性。由于超高分子量聚乙烯在熔融时为高弹态，几乎无流动性；同时，摩擦系数小，临界剪切速率低，加工时极易出现熔体破裂，使得很难用熔融拉伸法制备超高分子量聚乙烯微孔膜。而TIPS法为超高分子量聚乙烯微孔膜的制备提供了可能。但TIPS法通过快速的热交换来诱导聚合物溶液分相，使制备得到的微孔膜孔径分布不均匀。同时对于结晶速度很快的聚合物，往往很难通过控制工艺条件得到纳米尺度的孔结构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用超高分子量聚乙烯为膜材料，通过添加纳米有机纤维成核剂，利用热致相分离工艺，制备得到孔径小、分布均匀、孔隙率高的超高分子量聚乙烯微孔膜的方法。

在TIPS法中，对于结晶性聚合物，往往考虑添加纳米无机成核剂，其作用有三：一是加快聚合物的结晶速率，从而控制相分离，进而影响成膜的动力学过程；二是提高聚合物的结晶度，有助于提高材料的机械强度和耐热性等；三是提高孔隙率。常用的成核剂有：纳米碳酸钙颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米二氧化硅颗粒、碳纳米管等。众所周知，纳米无机颗粒极易发生团聚，一般情况下很难实现初级粒子级别的分散，因而难以体现纳米粒子的特殊性能；再者，纳米无机颗粒的表面亲水不亲油，具有较高的极性和表面能，与聚合物相容性很差。因此，简单地混合纳米无机颗粒和聚合物，不但无法实现良好的纳米级分散，而且存在的不相容相界面也会造成薄膜制品力学性能的恶化。因此选择一种成核效率高、与聚合物体系相容性好的成核剂是TIPS法制备微孔膜的关键技术之一。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：采用在潜溶剂和超高分子量聚乙烯熔体中自组装成纳米纤维的有机小分子化合物作为成核剂(简称纤维成核剂)，并利用TIPS法制备超高分子量聚乙烯微孔膜。纤维成核剂在高温条件下，可以在大多数有机溶剂和聚合物熔体中生成均相溶液。降低温度后，纤维成核剂先结晶形成纤维网络，该网络不仅可以均匀分散，且纤维直径仅有几十个纳米，具有极大的比表面积，提供极高的成核密度，起到异相诱导结晶的作用。因此，针对超高分子量聚乙烯微孔膜的TIPS工艺，本发明选择的纤维成核剂具有如下特性：(1)纤维成核剂能溶解于TIPS法制备超高分子量聚乙烯微孔膜所选择的潜溶剂和超高分子量聚乙烯熔体中，在高温时生成均相溶液；(2)对于超高分子量聚乙烯、纤维成核剂、潜溶剂均相溶液，在冷却过程中，纤维成核剂先结晶生成纳米纤维网络；(3)在提高超高分子量聚乙烯结晶行为、有效控制微孔膜孔结构和膜性能的前提下，尽可能使用少量的纤维成核剂。

具体包括以下步骤：

(1)在高温下使超高分子量聚乙烯、潜溶剂、纤维成核剂和抗氧剂熔融混合后通过模压工艺或挤出工艺得到成型的平板薄膜；

(2)使用萃取剂除去潜溶剂，经洗涤、干燥后即形成微孔膜；