[发明专利]一种分离膜的制备方法及高通量高强度分离膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种共挤出法制备高通量、高强度分离膜的制备方法，主要应用于膜生物反应器、生物分离、水处理、空气净化等领域。

背景技术

膜法与传统的分离技术相比具有分离效率高、节能、环保等优点，是解决缓解当前能源危机和环境污染的高新技术。在膜分离技术应用中，微孔滤膜是产业化最早，应用面最广，同时也是消耗量最大的一个膜品种。由于微孔滤膜过滤技术具有使用方法简单、快速、高效节能等优点，因而倍受关注和采纳，现已被广泛应用到食品饮料、医药、化工、电子、能源及环保等领域。几十年来，微孔滤膜在其应用过程中，已逐步取代或提升了很多传统的过滤工艺，如熟啤酒澄清过滤中代替了原先的纸板精滤机，进而提高了熟啤酒的清亮度；在空气除菌过滤中取代了原先的棉布、活性炭填充塔，确保了除菌效果。作为一项独特的分离技术，它已经成为现代工业，尤其是高、精、尖端技术产业，如电子、生物制药、科学研究、及质量检测等领域中保证产品质量的不可缺少的重要手段之一。由于其优越的特性及广泛的应用范围，因此在世界膜市场的总体构成中，微孔滤膜产品占有最大的份额。

与传统的过滤方式相比，微孔滤膜的主要特征表现在下列几点：

(1)孔径均一，分离效率高；(2)空隙率高，通量比较大；(3)分离膜厚度较薄，减少对贵重料液由于吸附所造成的损失；(4)高分子聚合物制成的微孔滤膜为一均匀的连续体,过滤时没有介质脱落，不会产生二次污染；

目前主要分离膜制膜方法多采用非溶剂致相分离法(NIPS)。成膜受该制膜方法限制，得到的膜带有致密的皮层和多空的支撑层结构，在非溶剂致相分离制得的分离膜中，无支撑材料的中空纤维膜在强度上受到一定限制，给其应用领域拓展带来不利影响。热致相分离法(TIPS)是世纪年代初开始用于制备多孔分离膜的一种方法。它是通过热塑性的、结晶性的高聚物与某些高沸点的小分子化合物稀释剂在较高温度时形成均相溶液，温度降低时发生固/液或液/液相分离，脱除稀释剂后成为高聚物多孔膜。1980年Castro在美国专利US4247498中对TIPS法制备聚合物多孔膜进行了综合报道。他指出许多热塑性、结晶性的高分子聚合物与某些高沸点的小分子化合物(他把它们称之为“稀释剂”)在高温下(一般要高于聚合物的熔点T _m)能形成均相溶液,在降低温度时发生固-液或液-液相分离,然后用溶剂萃取等方法把稀释剂脱除后就形成了多孔膜.其中孔是由稀释剂被除去后由其原先占据的位置形成的。由于它的基本特征是“高温溶解，低温分相”，所以称之为“热致相分离法”。在TIPS法形成的分离膜中，高分子聚合物分子之间形成空隙率相当高的互穿网络结构，具有很高的强度，但是TIPS法制得的分离膜分离孔径较大，难以得到如NIPS法制得分离膜的孔径。

TIPS法的早期研究集中在那些无法用通常的非溶剂致相分离法(NIPS)制膜的聚合物材料上，所用稀释剂都是一些不溶于水的、高沸点的小分子物质必须把体系的温度提高到聚合物的熔点之上100℃以上才有可能通过剧烈的搅拌把它们混合成均相溶液。对于PVDF材料来说，传统TIPS法的熔融温度在250℃以上，只有使用专门设计的双螺杆挤出纺丝机才有可能满足工艺要求，这种设备只限制在德国和日本才能生产，限制了TIPS的推广。

日本东洋纺织的有地章浩和山田英树在他们于2007年申请的世界专利说明书(WO2007/080862)中,提出了水溶性潜溶的概念，选用某些合适的水溶性潜溶剂，可以将TIPS法制备PVDF微孔膜的温度降低到140-160℃，从而降低TIPS法对设备的要求，有利于降低TIPS法的成本。此种方法中采用水为冷却液，所以新生态膜进入冷却液后，在发生热致相分离的同时，在膜的表面层必然会同时发生非溶剂-水引发的相分离。在该过程中由于传质速度比传热速度慢很多,再加上表面致密层的形成又阻碍了进一步传质的发生，所以由NIPS过程形成的致密皮层很薄，其下全部是空隙率相当高的孔径分布很均匀的互穿网络结构，而两者之间没有过渡层，貌似由两种制膜工艺构成的复合膜。此种方法制备的分离膜具有很大的通量和很高的强度。