[发明专利]一种C型核壳纳米纤维膜及其偏心轴静电纺丝制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜蒸馏用偏心轴静电纺丝制备的带有沟槽结构的超疏水C型核壳纳米纤维多孔膜及其制备方法，属于材料工程技术领域。

背景技术

水环境污染、水资源短缺是当今世界普遍存在的问题，膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，已在海水淡化、工业废水处理等领域得到广泛应用，而膜蒸馏以其独特的优点越来越受到广泛的关注和应用。膜蒸馏是一种以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程[吴庸烈，膜蒸馏技术及其应用进展，膜科学与技术，2003，23，67-79]。与传统的的分离过程相比，膜蒸馏过程具有可利用低品质热源(如太阳能、地热、废热)、截留率高、设备简单、操作方便等优点，并具有以高效率小型组件构成大规模生产体系的灵活性[Serena B，Aldo S，Giulio C S 1997 Aiche J 43 398-408]。结合膜蒸馏的使用环境，膜蒸馏需采用疏水微孔膜，与亲水膜相比在膜材料和制备工艺的选择方面局限性较大，并且一般都采用微滤过程的商品膜，而尚未开发出专为膜蒸馏过程研制的膜，同时还存在水蒸气通量低、热转化效率低、孔隙率低、耐久性差等缺点亟待解决。因此，受限于这些缺陷，虽然膜蒸馏技术近些年受到比较大的关注，但是还没有得到大规模工业生产应用。

静电纺丝法是当前制备纳米纤维等超细纤维材料最主要的工艺技术，采用静电纺丝技术制备的纳米纤维多孔膜具有大表面积体积比、高孔隙率、相互贯通的开孔结构以及膜厚度可控的特点[Li D，Xia Y 2004Adv.Mater 16 1151-70；Yoon K，Hsiao B S，Chu B 2008J.Mater.Chem 18 5326-34]，能够有效改善传统相转化法制备的膜蒸馏用膜孔隙率较小并且所形成的微孔为闭孔结构的缺陷。目前，很多研究者将各类疏水材料电纺成纳米纤维膜应用于膜蒸馏脱盐[Li X，Wang C，Yang Y 2014 ACS Appl.Mater.Interfaces 6 2423-2430；Liao Y，Wang R，Tian M 2013J.Membr.Sci.425 30-39；Zhou T，Yao Y，Xiang R 2014J.Membr.Sci.453 402-408]，获取的脱盐效率和水蒸气通量渐趋可观，但是热转化效率低、水蒸气通量不够高的缺陷依然存在，成为膜蒸馏技术在海水脱盐领域与反渗透技术相竞争的弱势。同轴静电纺丝技术作为传统静电纺丝技术的改进，不仅可以制备连续的纳米纤维，更能扩大原材料的选择范围，而且这种超细纤维具有核壳结构，可得到多功能的纤维。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种偏心轴静电纺丝制备的膜蒸馏用带有沟槽结构的疏水C型核壳纳米纤维膜及其制备方法，该发明制得的产品膜高效耐用，制备方法简单易行，能够显著改善传统膜蒸馏用膜孔隙率低、热转化效率低、水蒸气通量低和膜孔易润湿的缺陷，提高普通静电纺丝膜的孔隙率、热转化效率、水蒸气通量，推动膜蒸馏技术进一步提高。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种C型核壳纳米纤维膜的偏心轴静电纺丝制备方法，其特征在于，包括：将疏水性聚合物溶于溶剂中，为壳层溶液；将亲水性聚合物溶于溶剂中，为核层溶液，将壳层溶液和核层溶液分别以一定的流速注入到偏心轴静电纺丝针头的外针头和内针头中，同时将高压静电发生器连接偏心轴静电纺丝针头进行静电纺丝，得到C型核壳纳米纤维膜。

进一步地，所述的C型核壳纳米纤维膜的偏心轴静电纺丝制备方法还包括将所得的C型核壳纳米纤维膜在温度为40-70℃，真空度为-0.09～-0.1Mpa的烘箱中热处理10-24h，即得到膜蒸馏用多孔膜。

进一步地，所述的壳层溶液与核层溶液不相容。

进一步地，所述的偏心轴静电纺丝针头包括外针头和内针头，所述的内针头设于外针头内，外针头的上端和内针头的上端分别形成外针头纺丝原液进料口和内针头纺丝原液进料口，外针头的下端和内针头的下端分别形成有外针头出口和内针头出口，外针头出口和内针头出口在同一平面α上，内针头的下部为圆柱形，其轴线为OA，内侧直径范围是0.1-1.5mm，外针头的下部为圆柱形，其轴线为OB，内侧直径范围是0.2-3.0mm，点A和点B皆在平面α上，A与B之间的距离为0.01-1.45mm。

进一步地，所述的疏水性聚合物为聚苯乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)中的至少一种；所述的亲水性聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)和二醋酸纤维素(CA)中的至少一种。