膜材料简介

摘要膜材料是两相间的不连续区间。膜技术的核心是膜。高分子膜的制备方法及其工艺条件的控制是获得稳定膜结构和优异膜性能的关键技术，众所周知，高分子膜材料具有易加工、结构难控制的特点。目前高分子分离膜材料制膜方法有浸没沉淀相转化法、应力场下熔融挤出-拉伸制备聚烯烃微孔膜、热诱导相分离法制备聚合物微孔膜、聚合物与无机支撑复合膜的制备技术等膜技术。膜技术现已应用在我们生活的各个方面，如废水处理环境净化、医疗、医学和食品加工生物工程方面等等。我们主要谈了膜技术在水处理和医学方面的显著作用。水处理方面的应用有一般的废水处理、处理采出水和油田注水、果汁饮料的澄清等。在医疗、医学方面膜技术可用于制人工肺、在药物生产过程中去除菌及固悬物、药物检验与疫病诊断、血浆分离等。关键字：膜材料、制备、应用、水处理、医学工程AbstractMembranematerialisdiscreteintervaloftwophases.Membranetechnologyisthecoreofthemembrane.Thepreparationmethodofpolymerfilmanditscontrolofprocessconditionsistoobtainthekeytechnologyofmembranestabilityofmembranestructureandexcellentproperties,itiswellknownthatthepolymerfilmmaterialhasthecharacteristicsofeasyprocessing,structure,difficulttocontrol.Thehighpolymerseparationmembranematerialsmembranemethodinimmersionprecipitationphasecatalysis,meltextrusion-undertensilestressfieldofpreparationofpolyolefinmicroporousmembranepreparation,thermalinducedphaseseparationofpolymermicroporousmembrane,polymerandinorganiccompositemembranepreparationtechnologyofmembranetechnology,etc.Membranetechnologyhasbeenappliedineveryaspectofourlife,suchaswastewatertreatmentenvironmentpurification,medicaltreatment,medicineandfoodprocessingandbiologicalengineering,etc.Wemainlytalkaboutthemembranetechnologyinwatertreatmentandmedicalaspectsofthesignificantrole.Theapplicationofwatertreatmenthasthegeneralwastewatertreatment,treatmentofproducedwaterandoilfieldwaterinjection,juiceclarificationetc.Intheaspectofmedicaltreatment,medicalmembranetechnologycanbeusedformakingartificiallung,removingbacteriaintheprocessofdrugproductionandsolidsuspension,drugtestanddiagnosisofdiseaseandplasmaseparation,etc.Keywords:membranematerials,preparation,application,watertreatment,medicalengineering0引言膜技术是当代高效分离新技术，与传统的分离技术相比，它具有分离效率高、能耗低、占地面积小、过程简单、操作方便、不污染环境、便于与其他技术集成等突出优点。它的研究和应用与节能、环境保护、水资源开发、利用和再生极为密切。在当今世界能源、水资源短缺，水和环境污染日益严重的情况下，膜分离科学与技术的研究得到了世界各国的高度重视。目前，膜分离技术在我国的石油化工、制药、生化、环境、能源、电子、冶金、轻工、食品、航天、海水淡化、医疗等领域已获得有效而广泛的应用。1膜材料简介一般意义上，“膜”指两相之间的不连续区间。膜可为气相、液相和固相，或是它们的组合。即也可以说，“膜”是指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质的阻挡层。它可以是均相的或非均相的，对称的或非对称的，固体的或液体的，中性的或荷电的。其厚度范围一般可从几微米到几毫米。膜分离过程基于化学物质通过膜相际的传递速度的不同而不同。迁移率主要由溶质的分子尺寸和相界面物质的结构决定，而溶质在相界面内的浓度决定于溶质和相界面物质的亲和力大小、溶质尺寸和膜的结构。通过膜相际有以下三种基本的传质形式。一、被动传递。通过膜的组分均以化学势梯度为推动力。该化学势梯度，可以是膜两侧的压力差、温度差或电势差。二、促进传递。通过膜的组分仍以化学势梯度为推动力，各组分由特定的载体带入膜中。促进传递是一种高选择性的被动传递。三、主动传递。与前两者不同，各组分可以逆化学势梯度而传递，其推动力由膜内某化学反应提供，这类现象主要存在于生命膜。而目前已工业化的主要膜分离过程均为被动传递过程。膜技术的核心是膜。一般来说，膜的化学性质和结构对膜分离的性质起着决定性影响，故要求膜材料应具有良好的成膜性能，化学稳定性，耐酸、碱、氧化物和微生物侵蚀等。分离膜按其凝聚状态可分为固膜、液膜、汽膜三类，目前大规模应用的多为固膜。固膜目前主要以高分子合成膜为主，它可以是致密或是多孔的，可以是对称或非对称的。另外，以无机物为膜材料的分离膜近年来也发展迅速。液膜分乳状液膜和带支撑的液膜两类，它们主要用于废水处理和某些气体分离等。气膜分离现在尚处于实验研究阶段。膜有几种通用分类。按膜的材料分类，膜可分为天然膜和合成膜。天然膜指生物膜与天然物质改性或再生而制成的膜。合成膜指无机膜与高分子聚合物膜。按膜的结构性分类，膜可分为多孔膜和非多孔膜和液膜。多孔膜指微孔介质与大孔膜。非多孔膜指无机膜与聚合物膜。而多孔膜和非多孔膜也可按晶型区分为结晶型和无定型两种。液膜指无固相支撑型，又称乳化液膜，有固相支撑膜，又称固定膜或支撑液膜。当然，除此之外，还可按膜的用途、膜的作用机理等将它们分类。2膜材料的制备高分子膜的制备方法及其工艺条件的控制是获得稳定膜结构和优异膜性能的关键技术，众所周知，高分子膜材料具有易加工、结构难控制的特点。目前高分子分离膜材料制膜方法有浸没沉淀相转化法、应力场下熔融挤出-拉伸制备聚烯烃微孔膜、热诱导相分离法制备聚合物微孔膜、聚合物与无机支撑复合膜的制备技术等。2.1浸没沉淀相转化法相转化法制膜指配置一定组成的均相聚合物溶液，通过一定的物理方法改变溶液的热力学状态，使其从均相的聚合物溶液发生相分离，最终变成一个三维大分子网络式的凝胶结构。而相转化制膜法根据改变溶液热力学状态的物理方法的不同，可以分为以下几种：溶剂蒸发相转化法、热诱导相转化法、气相沉淀相转变法和浸没沉淀相转变法。下面我们主要介绍浸没沉淀相转变法。在浸没沉淀相转化法制膜过程中，聚合物溶液先流延于增强材料上或从喷丝口挤出，而后迅速浸入非溶剂浴中，溶剂扩散浸入凝固浴，而非溶剂扩散到刮成的薄膜内，经过一段时间，溶剂和非溶剂之间的交换达到一定程度，聚合物溶液变成热力学不稳定溶液，发生聚合物溶液的液-液相分离或液-固相分离，成为两相，我们称之为聚合物富相和聚合物贫相，聚合物富相在分相后不久就固化构成膜的主体，贫相则形成所谓的孔。浸入沉淀法至少涉及聚合物、溶剂、非溶剂三个组分，为适应不同应用过程的要求，又常常需要添加非溶剂、添加剂来调整铸膜液的配方以及改变制膜的其他工艺条件，从而得到不同的结构形态和性能的膜。所制成的膜可以分为两种构型：平板膜和管式膜。平板膜用于板框式和卷式膜器中，而卷式膜主要用于中空纤维、毛细管和管状膜器中。2.1.1平板膜制备平板膜时，往往是先用刮刀把聚合物制膜液刮在无纺布、聚酯、玻璃、金属板等支撑物上形成溶液薄膜，再将支撑物与溶液薄膜一并浸入凝固浴中。聚合物溶液中的溶剂与凝固浴中非溶剂通过界面交换，首先在表面固化成膜，随后向膜内部扩展，使溶液中聚合物析出固化得到平板膜，沉淀后得到的膜可以直接使用，也可以经过后处理。制备条件包括：聚合物浓度、蒸发时间、湿度、温度、铸膜液组成、凝固浴组成等，这些条件大体决定了膜的形态结构和基本性能，也决定了膜的应用场合。2.1.2管状膜管状膜根据规格的不同可以大致分为三种：中空纤维膜、毛细管膜和管状膜。中空纤维和毛细管膜有三种不同的制备方法：湿纺法，熔融纺丝法和干纺法。其中干-湿法纺丝是由聚合物、溶剂、添加剂组成的制膜溶液经过滤后用泵打入喷丝头，以围绕由喷丝头中心供给的线状芯液周围形成管状液膜的形式被挤出，经“空气间隙”被牵引、拉伸到一定的径向尺寸后浸入凝固浴固化成中空纤维，再经洗涤等处理后被收集在导丝轮。凝固是从内侧、外侧两个表面同时发生，形成双皮层结构。管状膜的制备工艺完全不同于中空纤维和毛细管膜。管状膜是加压于一个装有聚合物溶液的贮罐，使溶液沿一个中空管流下，在此刮管下部有一个带小孔的“刮膜棒”，在其内壁上被刮上一层聚合物薄膜，然后将此管浸入凝固浴中，此时所刮涂上的溶液沉淀，从而形成管状膜。2.2应力场下熔融挤出-拉伸制备聚烯烃微孔膜聚烯烃微孔膜主要是利用热致相分离和熔融挤出-拉伸工艺制备。在热致相分离过程中，高聚物与稀释剂混合物在高温下形成均相熔体，随后在冷却时发生固-液或液-液相分离，稀释剂所占的位置在除去后形成微孔。而在熔融挤出-拉伸过程中，以纯高聚物融体进行熔融挤出，微孔的形成主要与聚合物材料的硬弹性有关系，在拉伸过程中，硬弹性材料垂直于挤出方向平行排列的片晶结构被拉开形成微孔，然后通过热定型工艺固定此孔结构。2.3热诱导相分离法制备聚合物微孔膜热诱导相分离法是将聚合物与高沸点、低分子量的稀释剂在高温时形成均相溶液降低温度又发生固-液或液-液相分离，而后脱除稀释剂就成为聚合物微孔膜。热诱导相分离法制备微孔膜扩宽了膜材料的范围，可得到各式各样的微孔结构。通过改变制备条件可以得到蜂窝状结构或网状结构。热诱导相分离法制备微孔膜主要有溶液的制备、膜的浇铸和后处理三步，具体为：一、聚合物与高沸点、低分子量的液态稀释剂或固态稀释剂混合，在高温时形成均相溶液二、将溶液制成所需要的形状三、溶液冷却，发生相分离四、除去稀释剂五、除去萃取剂得到微孔结构。聚合物稀释剂溶液可在塑料挤出机中形成，溶液按预定形状被挤出并浇在控温的滚筒上，由于滚筒温度低，溶液立即分相并固化，然后经溶剂萃取脱去稀释剂，干燥检测并卷绕成产品。2.4聚合物与无机支撑复合膜的制备技术复合膜按结构可以分为三种：无机物填充聚合物膜，聚合物填充无机膜，无机有机杂聚膜。聚合物填充无机膜制备方法有聚合物溶液沉淀相转化法和表面聚合法。表面聚合法是通过化学方法使聚合物复合在无机支撑膜的表面或孔中。而这种方法包括两种，一是直接在无机膜表面进行单体的共聚或均聚，无机膜和聚合物膜之间是物理相互作用，二是对无机膜表面进行改性，使无机膜表面具有活性部位，然后通过活性部位进行单体的接枝聚合，这里无机膜和聚合膜之间是通过化学键相互连接。3膜的应用膜技术现已应用在我们生活的各个方面，如废水处理环境净化、医疗、医学和食品加工生物工程方面等等。现在我们主要谈谈膜技术在水处理和医学方面的显著作用。3.1膜技术在水处理方面的应用3.1.1一般的废水处理对于一般的废水，根据净化后水质的要求，需要选择合