纤维素PET无纺布复合膜的制备及表征

杨华宇 王习文

摘要：将漂白针叶木浆离子液体溶液涂覆到聚酯纤维（PET）超薄无纺布上，制备了一种纤维素PET无纺布复合膜。对该复合膜的形貌、物理性能和过滤性能进行表征，结果表明，纤维素以微/纳米的尺度均匀分布在PET无纺布上，并且有较好的结合。复合膜的平均孔径为03 μm，水通量达（12200±100） L/（m2·h·MPa），牛血清白蛋白（BSA）的截留率为991%。该方法所制备的纤维素复合膜在过滤分离领域有着一定的应用前景。

关键词：纤维素;PET无纺布;复合膜

中图分类号：TS758+4

文献标识码：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802005

随着可持续发展成为人们关心的热门话题，人类开始认识到开发绿色环保可再生材料的重要性。木材是一种天然可降解的高分子生物质材料，主要由纤维素组成，合理开发利用这些天然纤维素资源具有重要价值，不仅可以提高农产品的附加值，还能减少人类对石油等不可回收资源的依赖，带来可观的经济效益，减轻环境污染，具有重大的研究意义[12]。

离子液体是一种纤维素的绿色溶剂，具有高热稳定性（高达400℃）、低蒸汽压、弱配位性质、低可燃性、高导电性等优良性能[3]，在离子液体中得到的再生纤维素材料仍然保持了纤维素自身优良特性，还可以通过共混法制备其他复合材料，引入其他优良性能，而且离子液体可回收后循环利用，提高了其实际利用价值，开辟了新兴材料的新领域，为缓解能源短缺和改善环境污染问题提供了崭新视角[38]。目前，在离子液体中制备新型材料的研究才刚刚起步，离子液体的种类，离子液体结构对纤维素的溶解机理，都还有待进一步研究。利用离子液体溶液，制备具有优异性能的纤维素复合材料[911]的相关工作也取了一定的进展。目前常用于纤维素溶解和加工的离子液体主要有1丁基3甲基咪唑氯盐[11]（[Bmim]Cl）、1烯丙基3甲基咪唑氯盐（[Amim]Cl）等。离子液体[Amim]Cl对木质纤维素表现出了比其他离子液体更好的溶解性能，用于处理纸浆更为合适[1213]。

纤维素的膜材料在过滤与分离领域有着巨大的应用前景。而目前无纺布作为支撑层广泛应用于膜分离领域[1416]。本课题采用离子液体技术，将商品木浆溶液涂布在PET无纺布上，制备了一种纤维素PET无纺布复合膜，并对该膜材料进行了表征和分析。

1实验

11实验原料及仪器

实验原料及药品见表1。

实验仪器：JJ200B电子天平，江苏省常熟市双杰测试仪器厂;EVO 18扫描电子显微镜，Zeiss Germany;Frank 81502卧式湿抗张强度测试仪，德国FRANK公司;CFP1100A自动毛管流动孔径仪，美国PMI公司;UNIQUER20超純水机，四川优普超纯科技广东分公司;DZF6021真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。

12实验方法

121纤维素溶解

准确称取040 g绝干漂白针叶木浆和1960 g [Amim]Cl离子液体（质量分数2%），于干燥的三口圆底烧瓶中混合均匀，在给定温度下恒温油浴加热，溶解过程一直保持强烈均匀的磁力搅拌，直到溶液变成澄清透明的黄褐色液体，即纤维素离子液体溶液。

122涂布

将溶解后得到的纤维素离子液体溶液放入真空烘箱中减压除泡4 h，在桌面静置1 h后，均匀涂抹在PET无纺布上，用玻璃板压住，之后缓慢加入去离子水反复浸泡24 h，使纤维素离子液体溶液浸入无纺布中并以凝胶形式再生，洗脱[Amim]Cl后在室温下自然风干1天，再放入真空烘箱中，在温度60℃条件下烘干12 h，得到纤维素PET无纺布复合膜（以下简称复合膜）。纤维素的涂布量控制在312 g/m2。

123物理性能测试

本实验采用卧式湿抗张强度测试仪来分析纤维素PET无纺布复合膜的强度性能，采用PMI自动毛管流动孔径仪测定复合膜的孔径。

124复合膜微观形貌观察

复合膜干燥后，使用离子溅射仪真空镀金，采用扫描电子显微镜观察膜的表面以及横截面形貌，根据不同的观察需求拍摄不同倍数的图片。

125水通量测试

采用图1所示的膜性能测试装置，测定复合膜的水通量。

126截留率的测试[1416]

筛分机理是微滤膜的主要分离机理，通常用截留率R来表征膜分离效果，用被膜截留的特定大分子的量与该溶液中这种特定大分子总量的比值来表示。本实验采用牛血清白蛋白（BSA）测定复合膜的截留率R。准确称取1 g BSA溶于1L去离子水中，即以浓度为1000 mg/L BSA溶液为原液，待测膜在01 MPa操作压力下测试其对BSA的通量，然后将透过液及原液分别在紫外分光光度计上测定其在波长278 nm的吸光度，由标准曲线得到BSA的含量，计算出原液及透过液中BSA的浓度，按公式（2）计算截留率R。

R=1-COCf×100%（2）

式中，R—复合膜的截留率，%;

Co—为透过液中BSA浓度，mg/L;

Cf—为原液中BSA浓度，mg/L 。

2结果与讨论

21溶解时间和溶解温度关系

本实验考察了温度变化对纤维素在[Amim]Cl离子液体中溶解效率的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，随着温度的升高，漂白针叶木浆溶解速度上升。当溶解温度为60℃时，漂白针叶木浆大概需要46 min可以完全溶解于离子液体中;而当温度为110℃时，漂白针叶木浆的溶解时间则下降为10 min。这是由于离子液体[Amim]Cl中带电负性的氯离子容易进攻纤维素羟基中的质子，而[Amim]+容易进攻羟基上具有电负性的氧，从而使纤维素内部氢键断裂，进而溶解于[Amim]Cl中。分子运动又会因为温度的升高而加速，从而加大离子液体接触氢键的机会，因而使得溶解时间大大缩短。但是研究表明，当温度升高到100℃后，纤维素降解就变得明显，因此综合考虑纤维素的溶解情况和降解程度，溶解温度选80℃较为合适[1720]。

22复合膜的表面形貌

PET无纺布和复合膜的SEM图如图3所示。

图3（a）显示的是PET无纺布的表面形貌，从图3（a）中可以看出，PET无纺布由纤维相互搭接而成，构成了相互贯通、相互交叉的三维纤维网络结构，纤维表面较为光滑，孔的曲折度较高。对比图3（a）和图3（b）、图3（c）和3（d）可以看出，在PET无纺布表面上覆盖有致密的微/纳米纤维层，说明通过涂布的方式，纤维素成功地复合到PET无纺布上。同时纤维素和PET无纺布两者具有较好的结合，复合膜表面看不到明显孔洞，说明致密的纤维素涂层降低了原材料的孔径。

23复合膜的物理性能

复合膜的物理性能见表2。

由表2可以看出，与PET无纺布相比，复合膜厚度增大为22 μm，拉伸强度为6042 MPa，约是PET无纺布拉伸强度的13倍，断裂伸长率为931%。PET无纺布的最大孔径达80 μm，平均孔径为15 μm，而复合膜的最大孔径降低至3 μm，平均孔径为03μm，仅为原孔径的1/50。这说明纤维素离子液体溶液涂布能够有效降低PET无纺布的孔径，使制备的复合膜孔径均匀。

24复合膜的过滤性能

相同条件下，对商品微滤膜和复合膜进行了过滤性能测试，测试结果如表3所示，其中商品微滤膜材料为混合纤维素酯。表3中数据表明，商品微滤膜的纯水通量为（8300±100） L/（m2·h·MPa），BSA截留率为993%，而复合膜的纯水通过量高达（12200±100） L/（m2·h·MPa），约是商品微滤膜的147倍，同时保持了相当的BSA截留率（为991%）。这是因为纤维素具有亲水性，所以水通量大大增加;复合膜上具有致密的微/纳米纤维涂层，其平均孔径仅为03 μm，可有效截留BSA。因此，复合膜具有高于商品微滤膜的纯水通量，同时有较高的BSA截留率，具有微滤膜的基本功能。

3结论

本课题采用漂白针叶木浆离子液体[Amim]Cl溶液涂布在PET无纺布上，制备了纤维素PET无纺布复合膜。结果表明，纤维素均匀分布于PET无纺布上，两者之间具有较好的结合。该复合膜的平均孔径为03 μm，水通量达（12200±100） L/（m2·h·MPa），牛血清白蛋白（BSA）的截留率为991%。与商品微滤膜相比，该复合膜具有更高的水通量（商品微滤膜的水通量仅为（8300±100） L/m2·h·MPa），且BSA截留率较高。表明该方法制备的纤维素PET无纺布复合膜具有优良的微滤性能，在过滤分离领域中有着一定的应用前景。

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（责任编辑：马忻）