纳米SiO2改性聚乙烯醇超滤膜的研究

2013-08-14孟学林周秋民

化工技术与开发 2013年6期

尹丽，孟学林，周秋民

（广西工业职业技术学院，广西南宁 530001）

膜污染是影响超滤膜应用领域的主要障碍，因而耐污染超滤膜的制备已成为了当前膜研究的热点。黄征青等[1]和李娜等[2]分别对膜污染的机理、解决膜污染的办法以及耐污染膜的研究现状进行了系统的分析，并指出对现有膜材料进行改性是解决膜污染的常用方法之一，即通过在膜材料上引入亲水性基团，从而减少膜对污染性物质的吸附。

聚乙烯醇(PVA)由聚乙酸乙烯酯经醇解反应而制得，是一种含有大量羟基的聚合物，具有高度的亲水性、较好的耐酸性、良好的生物相容性和化学稳定性，是一种颇具吸引力的膜材料。与其它膜材料相比,PVA 有更好的抗蛋白污染性，因而PVA作膜材料的研究备受人们关注[3～6]。但PVA 基膜易溶胀，不耐压，强度差，易蠕变，大大限制PVA 膜的应用。要获取性能更优的PVA 膜，必须对其进行改性。研究表明，将具有高弹性、低密度、高韧性的有机材料和具有高表面强度、高模量等优点的无机材料有效地结合在一起，可以得到一种新型的具有优良性能的有机/无机复合材料，此时膜的强度和寿命增加，膜的渗透性和抗污染性得到提高。纳米SiO2是一种轻质超细非晶固体材料，由于纳米粒子的小尺寸效应和表面效应，使纳米SiO2具有很强的亲和力，能与很多高聚物材料产生很强的界面作用，表现出优越的综合性能。姜云鹏等[7～9]将纳米级分散的纳米SiO2溶胶加入PVA 水溶液中，制备了纳米SiO2/复合膜，所制得的膜既保留了PVA 亲水性，具有较强的抗污染能力，又保留了SiO2纳米材料的强度和韧性，弥补了PVA 湿膜强度低，不耐压的缺陷。为了更深入地对纳米SiO2与PVA 复合膜进行研究，本文将从PEG 的分子量、纳米SiO2的加入量和PEG 加入量来考察经纳米SiO2改性的聚乙烯醇超滤膜的性能。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

聚乙烯醇（PVA，平均聚合度为1750±50），聚乙二醇（PEG），纳米SiO2（自制）。

CL-3 型恒温加热磁力搅拌器，JJ300 型电子天平，W-56 型万能电子试验机。

1.2 纳米SiO2乳液的制备

一定温度下，将一定量的NaSiO3·9H2O 溶液，在机械搅拌作用下，滴加到装有盐酸、成核剂（AlCl3）与分散剂（EDTA）的锥形瓶中，加入NaCl溶液，生成SiO2溶胶。后将SiO2溶胶滴加到含有改性剂的另一部分NaSiO3·9H2O 溶液中，反应一定时间，陈化30min，得纳米SiO2乳液。

1.3 膜的制备

将PVA 溶解于水中，加热并搅拌至其全部溶解后，在PVA 溶液中加入不同质量的SiO2乳液，继续搅拌4h 后，再向其混合液中加入不同分子量和不同质量的PEG（根据实验方案而定），继续加热、搅拌数小时。实验完成后，膜液在室温下静置24h 脱气，然后将膜液在玻璃板上刮成膜,放入Na2SO4饱和水溶液中过夜,使其充分凝固成膜。把所得膜用去离子水洗净、浸泡待用。

1.4 膜的性能测试

1.4.1 水通量

将膜用去离子水洗净后，采用杯式超滤装置在0.1MPa 压力下测定其水通量。

1.4.2 力学性能

实验制备的膜通过W-56 型万能电子试验机测定其拉伸强度和扯断伸长率。

2 结果与讨论

2.1 添加剂PEG 分子量对PVA 膜性能的影响

采用不同分子量的PEG 作为添加剂，在PVA质量分数为15%，且m(PEG)：m(PVA)=0.15，纳米SiO2的质量分数为2%时，考察了不同分子量的PEG 对PVA 膜的影响，结果如图1 所示。由图1 可以看出，随着PEG 分子量的增大，PVA 膜的水通量呈现增大的趋势。这可能是因为在分子量较小时,PEG 很难破坏PVA 分子之间的作用力,干燥成膜时得到较小的聚集胶束，从而形成较小的膜孔径，水通量也就相应减小。本文从水通量的角度考虑，后面的实验选择分子量为1000 的PEG 进行实验。

图1 PEG 分子量对PVA 膜性能的影响Fig.1 Effect of molecular weight of PEG on the performance of PVA membrane

2.2 纳米SiO2的加入量对PVA 膜性能的影响

图2 表示了在固定PVA 质量分数为15%，且m(PEG)：m(PVA)=0.15，不同纳米SiO2的加入量对PVA 膜性能的影响。从图2 可看出,随着纳米SiO2加入量的增大，水通量有下降的趋势，特别是在纳米SiO2的质量分数大于3%后，水通量下降的速度更快。这可能是由于SiO2含量的增加,使铸膜液的粘度增大,溶剂的外扩散速率降低,膜的形成过程减慢,表皮层变厚的缘故。

图2 纳米SiO2的加入量对PVA 膜性能的影响Fig.2 Effect of nano-SiO2addition on the performance of PVA membrane

2.3 PEG 加入量对PVA 膜性能的影响

图3 表示了在固定PVA 质量分数为15%，SiO2的质量分数为2%时，不同PEG 的加入量对PVA 膜性能的影响。由图3 可看出，水通量随着PEG 加入量的增大而增大。这可能是随着PEG 加入量的增大，膜的表皮层孔隙率增大的缘故。

图3 PEG 加入量对PVA 膜性能的影响Fig.3 Effect of PEG addition on the performance of PVA membrane

2.4 膜的力学性能

图4 纳米SiO2的加入量对PVA 超滤膜拉伸强度的影响Fig.4 Effect of nano-SiO2addition on the tensile strength of PVA membrane

图5 纳米SiO2的加入量对PVA 超滤膜扯断伸展率的影响Fig.4 Effect of nano-SiO2addition on the tensile elongation of PVA membrane

不同纳米SiO2加入量改性的PVA 膜的的综合力学性能如图4 和图5 所示。从图4 和图5 可以看出，随着纳米SiO2加入量的增加，PVA 膜的拉伸强度和扯断伸长率先是不断增大，然后下降。即在纳米SiO2加入量较小时（低于3%），随着纳米SiO2加入量的增加，PVA 膜的拉伸强度和扯断伸长率不断增大；当纳米SiO2加入量达到3%时，随着纳米SiO2加入量的增加，PVA 膜的拉伸强度和扯断伸长率不断降低。这可能是由于铸膜液中纳米SiO2的含量高于3% 时部分纳米SiO2团聚而引起的。总的来说，纳米SiO2的加入增大了材料的刚性，提高了材料的耐压能力。