摘 要

聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜热稳定性优异，耐化学腐蚀性好且易成膜，因而被广泛应用于污水处理、气相分离、锂电池隔膜等领域。但大多数PVDF膜由于自身的疏水性，使其很容易在水处理或分离过程中被污染，从而降低薄膜分离的效率。因此需要提高膜的抗淤积性能，避免疏水性污染物在膜的表面沉积。

本文从PVDF膜共混改性出发，介绍了以接枝型磺化聚对苯二甲酰对苯二胺(sf-PPTA)对PVDF强疏水性膜的亲水化改性，并用静电纺丝的方式制备成膜的方法。

研究结果表明，在PVDF质量分数为15 wt%，纺丝电压为20 KV，接收距离为15 cm，推进速度为1.0 ml/h的条件下，能够制备平均直径约为200nm的PVDF滤膜，并且用sf-PPTA共混改性后，PVDF滤膜的抗淤积性能明显提高，且其质量分数不同，改性效果颇有不同。在这些不同浓度sf-PPTA制备的薄膜中， sf-PPTA质量分数为10 wt%时改性效果最好。

关键词

聚偏氟乙烯（PVDF）；sf-PPTA；静电纺丝；共混改性

Abstract

Polyvinylidene fluoride (PVDF) membrances, which have excellent thermal stability, chemical resistance and good membrance-forming properties, are widely used in water treatment, membrane distillation, vapor separation, lithium battery separator and gas separation. However, most polymeric membrances owing to the fact that they are hydrophobic, making them likely to become contaminated in water treatment or in the separation process, thus reducing the efficiency of the separation. As a result, it is becoming more and more important to improve the antifouling properties of the membrance and to avoid the deposition of contamination on the hydrophobic membrance surfaces .

This article introduces that the PVDF membranes are given high hydrophilic by using graft sulfonated poly-p-phenylene terephthalamide phenylenediamine (sf-PPTA), through electrospinning membrance formation method.

The results show that when the concentration of PVDF is 15wt% and the spinning voltage is 20 kV, the morphology of the PVDF fibers will be good and the average diameter is about 200 nm. Besides, the anti-deposition performance of the PVDF membranes is improved significantly by blending modification. Moreover, different concentrations of the graft sulfonated poly-p-phenylene terephthalamide phenylenediamine(sf-PPTA) have different effects on the performance of the membrance. Among these membranes prepared by different concentrations of sf-PPTA, when the concentration of sf-PPTA is 10 wt%, the effect of the modification is the best.

Key words：

Polyvinylidene fluoride (PVDF); sf-PPTA; Electrospinning; Blending modification

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 芳纶简述 1

1.1.1 芳纶的物理性质 1

1.1.2 芳纶的分类及特性 1

1.1.3 芳纶的产业现状及应用前景 2

1.1.4 磺化芳纶 2

1.2 膜的分类及制备方法 3

1.2.1 膜的分类 3

1.2.2 制膜方法 3

1.3 PVDF膜及其改性研究进展 4

1.3.1 PVDF膜的性能特点 4

1.3.2 PVDF膜的改性 4

1.4 静电纺丝概述 6

1.4.1 静电纺丝机组成及工作原理 6

1.4.2 静电纺丝的影响因素 6

1.5 选题目的及意义 6

第二章 实验部分 8

2.1 原料及仪器 8

2.2 sf-PPTA的制备 8

2.3 PVDF/sf-PPTA纺丝液的制备 9

2.4 静电纺丝制备滤膜 9

2.5 测试与表征 9

2.5.1 静态水接触角测试 9

2.5.2 水通量测试 9

2.5.3 扫描电镜测试 10

2.5.4 红外光谱测试 10

2.5.5 X射线衍射测试 10

2.5.6 蛋白质过滤性能测试 10

2.5.7 蛋白质吸附性能测试 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 红外光谱和X射线衍射图谱分析 12

3.2 扫描电镜和EDS谱图分析 14

3.3 水通量测试 16

3.4 水接触角测试 16

3.5 蛋白质截留率 18

3.6 蛋白质吸附率 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

针对污水处理难的问题，薄膜技术作为一种新兴的处理水技术正不断更新发展，并成为21世纪处理污水的最佳使用技术^[1]。传统的水处理技术主要采用加入消毒水、絮凝沉淀剂等方法来满足市场需要，但也存在耗能大、效率低、容易引发二次污染等问题。与传统的水处理技术相比较，作为21世纪发展最为迅速的膜技术，不仅具有操作简单、节能环保处理污水效率高等特点，而且还能够创造出良好的经济效益。

1.1 芳纶简述

1.1.1 芳纶的物理性质

芳纶(芳香族聚酰胺纤维)， 大分子链上直接与两个苯环相连接酰胺基团(—CONH—)的含量可达到85 %以上，其化学性能和机械性能十分优异。芳纶纤维主要有全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维，全芳香族聚酰胺纤维中应用较为广泛的主要是对位芳纶和间位芳纶，前者酰胺键在苯环的对位上，后者酰胺键在苯环的间位上。杂环芳纶纤维由氮氧硫等杂原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶纤维。

芳纶纤维是一种高分子合成材料，强度高、模量高、耐高温且耐酸碱、质量轻，其中比强度是钢4～6倍，杨氏模量大约是是钢丝和玻璃纤维的2倍，断裂韧性约是是钢丝的2倍，而密度仅为钢丝的1 /4左右。芳纶常作为增强材料且在国防，航空航天，汽车工业、电器等各方面具有十分重要的作用。

1.1.2 芳纶的分类及特性

芳纶主要有对位芳纶和间位芳纶两种。对位芳纶全称为聚对苯二甲酰间苯二胺纤维，又称芳纶1414。对位芳纶分子链间呈平面刚性伸直链，分子结构上的酰胺基团间以苯环相连接且与苯环形成共扼效应，内旋转位垒很高，且结晶结构相对比较完整，这决定了对位芳纶纤维的高模量、高强度和极佳的耐热性^[2]。对位芳纶的强度是钢丝的5倍，玻璃纤维的3倍，高强度尼龙的2倍^[3]。除此之外，它还具有一定的韧性可以进行纺织加工。在200 ℃下，处理100 h仍能保持原有强度的3/4左右，在160 ℃下，加工400 h基本仍能维持原有强度不变。对位芳纶性能的缺点是压缩强度和杨氏模量较低，表面与基体粘合性差，耐潮湿性和耐紫外辐射性能差^[4]。

间位芳纶（聚间苯二甲酰间苯二胺纤维），由间苯二胺和间苯二甲酰氯低温缩聚而成，由美国杜邦公司率先研制成功。结构上看，间位芳纶分子是由酰胺基团连接于芳环的间位所构成的线型大分子^[5]。在它的晶体里氢键存在于两个平面上，呈格子状排列，从而形成了氢桥的三维结构。此外，间位芳纶刚性低、易延长，可用常规纺织机械进行加工。

1.1.3 芳纶的产业现状及应用前景

间位芳纶最早由美国杜邦公司研制成功，我国对于间位芳纶的研究始于20世纪60年代，直至2004年才实现工业化。目前，全球对位芳纶的主要生产商有美国杜邦、韩国科隆、日本帝人、韩国晓星，国内有十余家企业正在进行对位芳纶产业化生产与开发，包括中蓝晨光、烟台泰和新材、河南平煤神马、仪征化纤、河北硅谷化工以及广东彩艳等^[7]。

对位芳纶主要应用领域主要包括，橡胶增强材料、复合材料、防护材料、建筑材料和密封材料等。间位芳纶是综合性能优异的有机耐高温纤维，主要应用于防护领域、环保领域以及纺织品等领域。

1.1.4 磺化芳纶

PPTA由对苯二胺(PPD)与对苯二甲酰氯（TPC）在N-甲基吡咯烷酮（NMP）与N，N-乙酰胺(DMAC)的混合溶液中以低温缩聚方式制得。由于具有很高的分子量，PPTA具有很强的机械性能和热力学性能，并且被广泛地应用于海洋工程、航空业及军事等领域。除非在特殊的环境中，否则PPTA很难分解和熔融，且其分解和熔融过程对设备和生产工艺的要求很高。因此，该材料的加工性能很差。但PPTA和PVDF共混物可以克服PPTA加工性能差的问题，并且可以改善PVDF的亲水性。