相转化法制备凹土基中空纤维陶瓷微滤膜(2)

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1.2 中空纤维膜的制备方法

中空纤维陶瓷膜因其独特的结构特点，其主要制备方法包括有机模板法、静电纺丝法、挤压成型法以及相转化法等。

1）有机模板法[8]

该方法是利用聚合物中空纤维或者活化碳纤维作为模板，先把预处理过的模板浸入预先准备的氧化先驱体溶胶内，利用浸渍涂覆法，将纤维模板表面制成一层凝胶层，经干燥、高温烧结获得中空纤维陶瓷膜。该方法需要预先制备稳定的聚合物溶胶，并且往往需要经过多次尝试方获得合适厚度的凝胶层，因此该方法过程较为复杂，不适合投入大规模生产。

2）静电纺丝法[9]

该方法是使金属醇盐聚合物在高压静电作用下通过中空针状的纺丝头流出成型，再通过注射芯液来形成中空结构。静电纺丝过程中影响纤维结构的因素主要有[10]：高分子溶液的性质，如：挥发性、粘度、表面张力以及电荷密度等；纺丝时的电压，通常情况下，纤维随电压的增加而变细；电极间的距离，喷嘴与收集器距离越长，所需电压越高，距离短不利于溶剂的挥发；环境因素也会影响纤维的形态。

3）挤压成型法[11]

挤压成型法是将适当质量配比的粉料、添加剂、塑化剂和水经混合后，制得塑性泥料，利用各种成型机械进行挤出成型。在制备过程中，通过调节粉体粒径和浆料的配方来调控孔结构；还可以在挤压过程中调节压力和挤出速率等制备参数，从而获得形貌规则的中空纤维膜。但是在工业应用中，挤压成型法制备出来的中空纤维陶瓷膜一般都为对称结构，其管壁较厚，满足不了高渗透性的特殊工业要求。

4）相转化法[12-13]

相转化法制膜是制备一定组分的均相聚合物溶液，改变其热力学状态，使溶液发生相分离，从而转换成一个三维大分子网络式的凝胶结构。这个方法由于改变溶液的热力学状态的方法不同，因而可以分为如下几种：热诱导相转化法、溶剂蒸发相转化法、气相沉淀相转化法以及浸没成电相转化法。相比之下，相转化法制备技术简单，制备周期短，工艺简单，易于操作。相转化法制取中空纤维膜与干-湿纺丝技术结合制备聚合物中空纤维陶瓷膜是最常用的一种方法。相转化法结合烧结技术制备中空纤维陶瓷膜的具体步骤包括：①铸膜液的制备，即将溶剂、分散剂、粘结剂、无机颗粒混合均匀。②相转化过程，即铸膜液通过特定的纺丝装置，铸膜液与絮凝剂之间完成相转化的过程，并在外絮凝剂中浸泡一定的时间。③晾干与烧结过程，将相转化完全的膜从外凝固浴中取出，自然晾干；将晾干的膜在一定的温度下烧结使其具有相应的机械强度。在相转化成膜过程中影响膜结构和性能的因素有：浆料的挤出速度、空气间隙、内芯液流速、外凝固浴的温度等。a）浆料的挤出速度[14]：由于浆料的挤出速度的不同，纤维膜受到的拉伸力大小不同，聚合物分子链的取向度也随之变化，无定形的区域改变，最终导致孔隙率的变化，通量也随之变化。浆料的挤出速度受驱动压力的影响。b）空气间隙[15]：是指纺丝头与外凝固浴之间的距离。空气间隙有利于膜表面上溶剂的蒸发，使其通过凝胶过程而形成薄而致密的外表皮层。随着空气间隙的拉长，可能由于受到重力的拉伸使得制得膜的孔径增大，同时膜的截留性能也随之提高。c）内芯液流速[16]：内芯液流速对膜结构的影响是双向的，一方面随芯液流速的增加，膜层表面溶剂与非溶剂的交换速度快，固化所需的时间越短，也就是说增加芯液流速会引起孔径减小；另一方面芯液的流动使得聚合物结节和芯液流动的方向一致，形成杆状结节团体,而结节团体的平均长度随芯液流速的增加而变长，即芯液流速与孔径成正比。d)外凝固浴的温度[17-19]：凝固浴的温度主要是影响分子运动的速度，从而影响溶剂与非溶剂的交换速度，最终影响聚合物分子之间的堆积状态，所以外凝固浴温度的不同制得膜的孔径和通量是不同的。高春梅[20]和李娜娜[21]等人在考察凝胶条件对有机中空纤维膜性能及结构的影响中发现，在一定的温度范围内，膜的通量随外凝固浴温度的升高而增加，超出温度范围，膜孔致密化，通量则随之降低。吕少丽[22]等人在研究聚醚砜中空纤维膜制备过程中考察了凝固浴的温度对膜结构和性能的影响，结果发现，凝固浴的温度的升高，可以提高膜外表面的孔径，同时还促进了指状孔向海绵状孔的转变。