[发明专利]一种基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜及其制备方法与应用。

背景技术

碳纳米管由于其独特的一维管状结构、优异的光、电、热等性能，被认为是新型纳米复合材料的理想添加剂，在生物工程、催化化学、生物化学、材料科学都有许多潜在的应用。碳纳米管作为膜材料添加剂也已有研究，但将碳纳米管在膜上有序排列却少有研究。

与随机取向的碳纳米管相比，排列有序的碳纳米管有许多优异的性能及功能特性，它具有更好的纳米孔隙结构和较高的比表面积，表现出一些独特的电学和光学性能，如电学性能的各向异性、光的偏振效应和较高的透光性，在光学和光电器件中具有广泛应用。在膜上的碳纳米管有序排列则使膜形成了更好的导电网络通道，实现良好的载荷传递，大大提高了膜的性能。

有序的碳纳米管复合膜制备方法可分为两种，一种是先制备无序的碳纳米管复合膜，然后通过后处理使无序碳纳米管有序排列；另一种是先合成有序的碳纳米管阵列，然后与聚合物单体发生原位聚合反应，得到复合膜。前一种方法操作简单，后处理实现碳纳米管有序排列的方法有磁场取向法、电场取向法、液晶相诱导取向法等。

发明内容

针对以上现有技术，本发明的首要目的在于提供一种基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜。

本发明的再一目的在于提供上述基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜在蛋白质分离、工业废水处理、中水回用等领域中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)将FeCl₃·6H₂O、FeSO₄·7H₂O和碳纳米管混合，加入去离子水，室温下超声处理10～60min，得到黑色悬浊液，然后在氮气保护下，搅拌升温至55～70℃，滴加NaOH溶液至pH>12，反应1～1.5h，冷却过滤，沉淀物用去离子水洗涤至中性后真空干燥12～24小时，研磨得到具有磁性的碳纳米管；

(2)将具有磁性的碳纳米管超声分散于溶剂中，依次将聚氯乙烯、成孔剂加入，搅拌8～20h溶解共混均匀，形成铸膜液；

(3)将配制好的铸膜液脱泡后，置于支撑物上进行涂膜，然后在垂直于支撑物的方向上施加强度为200～400Oe的磁场，使膜在磁场下作用5～10min；

(4)将步骤(3)处理后的膜在空气中停留30～60s后以与液面成60～90°的角度浸入去离子水中进行溶剂交换，得到碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜。

步骤(1)中所述的FeCl₃·6H₂O、FeSO₄·7H₂O和碳纳米管加入的质量份比例为：FeCl₃·6H₂O 0.97～4.48份，FeSO₄·7H₂O 0.50～2.30份，碳纳米管0.1～2份。

步骤(1)中所述的碳纳米管优选外径为10～40nm，长度<2μm，纯度>97％，比表面积为100～210m²/g的碳纳米管。

步骤(2)中所述的聚氯乙烯优选聚合度为1000～3000的聚氯乙烯。

步骤(2)中所述的溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的混合物。

步骤(2)中所述的成孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、甘油、丙二醇、乙二醇、丙酮、草酸和氯化锂中的一种或两种以上的混合物；优选平均分子量为5000～200000的聚乙烯吡咯烷酮。

步骤(2)中所述的超声分散是指在频率为20～60kHz的条件下超声分散0.5～1.5h。

步骤(2)中所述的具有磁性的碳纳米管、聚氯乙烯、成孔剂及溶剂的质量百分含量为具有磁性的碳纳米管0.05～5％、聚氯乙烯5～22％、成孔剂1～10％，余量为溶剂。

步骤(3)中所述的脱泡是指静置12～30h脱泡；所述的支撑物优选平滑的聚酯无纺布、碳纤维或玻璃板；所述涂膜的厚度为150～450μm。

一种基于碳纳米管有序排列的聚氯乙烯超滤膜，通过上述制备方法制备得到。