原纖化天絲超細(xì)纖維微濾膜的制備及性能研究

大多數(shù)直接獲取的水源不宜飲用,往往要經(jīng)過沉降、過濾等一系列步驟處理后才能達(dá)到飲用的要求。通過過濾來凈化液態(tài)水或者其他種類的液體,一直以來都是一種重要的手段。19世紀(jì)以來,過濾技術(shù)已廣泛應(yīng)用于液體的過濾和分離。液體的過濾和分離,可分為微濾、超濾、納濾和反滲透技術(shù)[1-2]。在以上這些技術(shù)中,使用最廣泛的是微濾技術(shù)。微濾技術(shù)可用于攔截懸浮液中的顆粒,細(xì)菌以及其他形式的污染物,從而達(dá)到凈化液體的目的[3-4]。微濾膜在石油化工、電子工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,而且應(yīng)用范圍和規(guī)模正在逐步擴(kuò)大[5]。

目前市面上大概有幾十種規(guī)格的微濾膜,微濾膜的孔徑從0.025μm到14μm不等,厚度約在90~150μm之間,孔隙率大多高于50%。由于無紡布具有多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu),高比表面積以及相對(duì)較低的成本等優(yōu)點(diǎn),在微濾膜領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。按制備工藝無紡布又分為干法無紡布和濕法無紡布,目前在微濾膜領(lǐng)域有許多關(guān)于干法無紡布的報(bào)道,如以合成物為原料通過靜電紡絲的方法制備微濾膜[6-9],但是靜電紡絲材料制備的微濾膜有固有的缺陷,由于靜電紡絲材

料強(qiáng)度差,且自身靜電荷容易引起流體浸沒現(xiàn)象,導(dǎo)致它在液體過濾中的應(yīng)用也相對(duì)比較少[10]。近年來,也陸續(xù)有人研究以有機(jī)合成的超細(xì)纖維為原料,采用濕法成形的方法制備微濾膜[11]。但以純天然綠色再生纖維為原料制備微濾膜相關(guān)研究的報(bào)道甚少。本課題采用天然綠色的天絲纖維,它是一種可生物降解的綠色纖維,可通過旋轉(zhuǎn)纖維素的溶液得到。由于天絲纖維具有皮芯結(jié)構(gòu),在機(jī)械力的作用下可以分離成超細(xì)纖維。這些超細(xì)纖維不僅可用于制備微濾膜,而且經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)還可以控制微濾膜的孔結(jié)構(gòu)[12-17]。

隨著超細(xì)纖維材料在各領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,超細(xì)纖維的制備技術(shù)也得到了進(jìn)一步開發(fā)與創(chuàng)新。超細(xì)纖維狹義的定義是直徑小于3μm的纖維,對(duì)于圓形纖維,纖維的投影寬度就是它的纖維直徑,可通過掃描電子顯微鏡照相后測(cè)量。對(duì)于非圓形纖維,它的投影寬度不僅與纖維的截面尺寸有關(guān),纖維的扭曲度也會(huì)對(duì)投影寬度造成影響,因此測(cè)量纖維的比表面積時(shí)可用計(jì)算的方法得到纖維的平均直徑。由于天絲纖維是非圓形纖維,為了統(tǒng)一表達(dá),本實(shí)驗(yàn)中的纖維直徑均指經(jīng)過計(jì)算得到的纖維平均直徑。超細(xì)纖維的制備方法主要包括化學(xué)法、相分離法、紡絲加工和原纖化等。目前產(chǎn)業(yè)化的超細(xì)纖維種類有熔噴纖維、靜電紡絲纖維、玻璃棉纖維和原纖化超細(xì)纖維等。由于這些超細(xì)纖維的原料特性和制造方法不同,因此他們有各自的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用領(lǐng)域。目前超細(xì)纖維主要應(yīng)用在過濾與分離、生物及醫(yī)學(xué)治療、電池材料和聚合物增強(qiáng)等方面。

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)天絲纖維進(jìn)行預(yù)處理和原纖化,進(jìn)而制備出原纖化天絲超細(xì)纖維。將原纖化天絲超細(xì)纖維和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維(PET)按一定的配比混合后,通過濕法成形工藝可制備出原纖化超細(xì)纖維微濾膜,以期為纖維的利用拓寬渠道。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

天絲纖維(Tencel,Lyocell萊賽爾纖維的商品名,奧地利蘭精公司,纖度1.7dtex,長度4mm);聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維(Polyethyleneterephthal?ate,PET,日本帝人有限公司),PET-1:纖度2.2dtex,長度5mm;PET-2:纖度0.7dtex,長度6mm。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

Mark_V1PFI磨漿機(jī),芬蘭;JA2003精密電子天平,恒平科學(xué)儀器有限公司;95568纖維疏解機(jī),奧地利;TMI73-60濕法成型器,加拿大;FS300纖維分析儀,芬蘭;EVO18掃描電子顯微鏡,德國;Tech?pap勻度儀,法國;KRK-2230雙輥壓延機(jī),日本。

1.3試樣制備

1.3.1原纖化天絲超細(xì)纖維的制備

經(jīng)過合理的打漿工藝,有可能使天絲纖維充分的原纖化,形成具有幾十到幾百納米直徑的原纖化纖維[18-20]。由于天絲纖維原纖化機(jī)理已經(jīng)有文章表述的十分明白,本文不再贅述。

取30g絕干天絲纖維,用去離子水配制成漿濃為10%的天絲漿料,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%NaOH溶液浸潤處理天絲纖維漿料4h。用PFI磨漿機(jī)將漿料在0.5N/mm線性壓力下打漿18000轉(zhuǎn)、24000轉(zhuǎn)、30000轉(zhuǎn),得到不同平均直徑的原纖化天絲超細(xì)纖維,分別命名為纖維-1、纖維-2、纖維-3。取樣進(jìn)行纖維形態(tài)的測(cè)定,同時(shí)對(duì)漿料的打漿度和比表面積等進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2原纖化天絲超細(xì)纖維微濾膜的制備

原纖化天絲超細(xì)纖維微濾膜(以下簡(jiǎn)稱微濾膜)手抄片定量為70g/m2,微濾膜基材配方見表1。將原纖化天絲超細(xì)纖維和PET纖維按照表1不同比例配比后進(jìn)行手抄片抄造,不同配比制備的微濾膜手抄片分別命名為A、B、C、D。

1.4表征方法

1.4.1原纖化天絲超細(xì)纖維的表征

(1)纖維形態(tài)分析

量取30~50mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的纖維懸浮液,用FS300纖維分析儀測(cè)定不同原纖化程度天絲超細(xì)纖維的長度、寬度等形態(tài)參數(shù),檢測(cè)時(shí)保證每秒測(cè)量的纖維根數(shù)在80~120根之間,測(cè)量的總數(shù)在20000根左右。

(2)掃描電子顯微鏡

為了進(jìn)一步觀察原纖化天絲超細(xì)纖維的表面結(jié)構(gòu),將樣品鍍金后,在10.0kV的加速電壓下使用EVO18掃描電子顯微鏡對(duì)纖維形貌結(jié)構(gòu)和尺寸、纖維原纖化程度和纖維形態(tài)的變化進(jìn)行觀察。

(3)比表面積

將原纖化天絲超細(xì)纖維配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的

溶液,冷凍干燥后,用貝克曼庫爾特SA3100比表面積儀對(duì)原纖化天絲超細(xì)纖維的比表面積進(jìn)行測(cè)量。

(4)平均直徑

假設(shè)制備的原纖化天絲超細(xì)纖維為圓柱形并且具有相同的長度,則纖維當(dāng)量直徑計(jì)算見公式(1)。D(nm)=4ρA-2L×106(1)式中,ρ為纖維密度,kg/m3;A為纖維比表面積,m2/g;L為纖維平均長度,mm。

1.4.2微濾膜的表征

(1)勻度

勻度指纖維在紙基材料中分布的均勻程度,用勻度指數(shù)表示,勻度指數(shù)越小,樣品的勻度就越好。本實(shí)驗(yàn)采用Techpap勻度儀對(duì)微濾膜的勻度進(jìn)行測(cè)定。

(2)物理性質(zhì)

微濾膜的孔隙率計(jì)算見公式(2)?？紫堵?(ρ0-ρρ0)×100%(2)式中,ρ0為天絲纖維的平均密度,1.4g/cm3;ρ為微濾膜的密度,g/cm3。

另外通過用美國PMI公司生產(chǎn)的毛細(xì)管流量計(jì)(CFP)可對(duì)微濾膜的孔徑分布和平均孔徑進(jìn)行測(cè)定。

(3)水通量

使用自制的裝置在常壓下測(cè)定純水的水通量,測(cè)試裝置原理圖可查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[20]。將微濾膜剪切成直徑為1cm的圓盤狀,置于裝置之上,將一定體積的高純水通過微濾膜,記錄通過時(shí)間,根據(jù)公式(3)計(jì)算水通量。J=VT?A(3)式中,J為水通量,L/(m2?h);V為取樣體積,L;T為通過時(shí)間,h;A為微濾膜的有效面積,m2。

(4)抗張強(qiáng)度

采用L&W抗張強(qiáng)度儀,按照GB/T453—2002對(duì)微濾膜抗張強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。

2結(jié)果和討論

2.1原纖化天絲超細(xì)纖維的特性

2.1.1形態(tài)分析

表2為原纖化天絲超細(xì)纖維形態(tài)參數(shù)。從表2可以看出,隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的提高,纖維的平均直徑減小,比表面積增大。說明天絲纖維在逐漸原纖化。由表2還可以看出,原纖化天絲超細(xì)纖維的長徑比在300和600之間,3種纖維的平均直徑都小于3μm,因此得到的3種天絲纖維都是原纖化超細(xì)纖維,當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)為30000轉(zhuǎn)時(shí),纖維-3的長徑比最大。纖維-3長度分布如圖1所示。從圖1可以看出,纖維長度集中在0~1mm范圍內(nèi)。

2.1.2形貌分析

纖維-3的SEM圖如圖2所示。從圖2可以看出,大部分纖維直徑小于1μm,且纖維形狀為非圓形。

2.2微濾膜特性

2.2.1微濾膜的孔隙率

表3為不同微濾膜的孔隙率。由表3可知,微濾膜的孔隙率平均在58%左右。因此本實(shí)驗(yàn)制備的原纖化天絲超細(xì)纖維不會(huì)大幅改變微濾膜的孔隙率,可將微濾膜孔隙率控制在一定的范圍內(nèi)。

2.2.2勻度指數(shù)

勻度是濕法成形無紡布最重要的特性之一,在濕法無紡布中纖維分布得越均勻,微濾膜的勻度指數(shù)越小,微濾膜的均勻性越好。圖3為微濾膜A和D的勻度照片。從圖3可以明顯看出,添加20%纖維-3的微濾膜D比不含原纖化天絲超細(xì)纖維的微濾膜A具有更好的成膜性,勻度更好。

不同微濾膜的勻度指數(shù)見表4。從表4可知,隨著原纖化超細(xì)纖維打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加,微濾膜勻度指數(shù)逐漸下降,比較微濾膜D和微濾膜A可知,添加20%纖維-3的微濾膜D勻度指數(shù)大幅下降,從67.1下降到35.7。因此可以得出,原纖化天絲超細(xì)纖維對(duì)微濾膜勻度有著重要的改善作用,且天絲纖維原纖化程度越高、纖維越細(xì),對(duì)微濾膜的改善作用越明顯。

2.2.3孔徑及孔徑分布

微濾膜D的孔徑分布見圖4。從圖4可以看出,微濾膜D孔徑主要分布在1.5~5.5μm之間。

表5為不同微濾膜的平均孔徑。從表5可以看出,原纖化天絲超細(xì)纖維越細(xì),微濾膜的平均孔徑越小。加入比表面積較大的原纖化天絲超細(xì)纖維可減小微濾膜的平均孔徑。當(dāng)加入20%的纖維-3時(shí),微濾膜D的平均孔徑降低至3.14μm。圖5為微濾膜A和D的SEM圖,從圖5可以看出,原纖化天絲超細(xì)纖維覆蓋在較大的纖維上以減小微濾膜孔徑。添加原纖化天絲超細(xì)纖維的微濾膜比未添加原纖化天絲超細(xì)纖維的微濾膜具有更均勻和更小的孔結(jié)構(gòu)。

2.2.4水通量

水通量是提高微濾膜過濾性能的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)[17]。不同微濾膜的水通量如圖6所示。從圖6可知,不同微濾膜水通量逐漸減少,水通量減少的主要原因是制備的原纖化天絲超細(xì)纖維能一定程度上控制微濾膜的平均孔徑,使微濾膜的平均孔徑降低,從而

使水通過微濾膜時(shí)的阻力增加,最終導(dǎo)致微濾膜水通量減少。常壓下微濾膜D水通量為770L/(m2?h),仍能達(dá)到相對(duì)較高的一個(gè)水通量水平。因此經(jīng)原纖化天絲超細(xì)纖維改善后的微濾膜能被應(yīng)用于高水通量微濾預(yù)處理。

2.2.5抗張強(qiáng)度

紙基材料的抗張強(qiáng)度由纖維間結(jié)合強(qiáng)度的大小和結(jié)合點(diǎn)的多少兩部分組成。如果抗張強(qiáng)度太低,在后續(xù)加工過程中就會(huì)出現(xiàn)困難,會(huì)對(duì)產(chǎn)品的正常生產(chǎn)造成影響。圖7為不同微濾膜的抗張強(qiáng)度。從圖7可以看出,添加不同原纖化程度的天絲超細(xì)纖維時(shí),微濾膜的抗張強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)微濾膜中添加20%的纖維-3時(shí),微濾膜D抗張強(qiáng)度明顯增強(qiáng),抗張強(qiáng)度由334N/m提升到1180N/m。因此可以得出,當(dāng)微濾膜中添加一定量的原纖化天絲超細(xì)纖維時(shí),可以使微濾膜在高通量的前提下克服其強(qiáng)度低的缺點(diǎn),有望改善微濾膜的加工使用性能。

3結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)天絲纖維進(jìn)行預(yù)處理和原纖化,進(jìn)而制備出原纖化天絲超細(xì)纖維,然后將原纖化天絲超細(xì)纖維和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維(PET)按一定的配比混合后,通過濕法成形工藝制備原纖化超細(xì)纖維微濾膜。

3.1隨著天絲纖維打漿度的增加,天絲纖維的平均直徑逐漸減少,原纖化程度逐漸增大。

3.2制備的原纖化天絲超細(xì)纖維對(duì)微濾膜有著重要的改善作用,能使微濾膜形成更均勻的同時(shí)也能增加微濾膜的抗張強(qiáng)度。當(dāng)添加20％打漿度為90°SR天絲超細(xì)纖維時(shí),微濾膜的勻度指數(shù)大幅降低,由67.1下降到35.7,抗張強(qiáng)度從334N/m提升到1180N/m。

3.3制備的原纖化天絲超細(xì)纖維能控制微濾膜的平均孔徑,能使微濾膜具備更小和更均勻的孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)添加相同比例的原纖化天絲超細(xì)纖維時(shí),超細(xì)纖維越細(xì),微濾膜孔徑越小。微濾膜中添加20%打漿度為90°SR的天絲超細(xì)纖維(纖維-3)時(shí),微濾膜的平均孔徑由11.37μm降至3.14μm,水通量由8190L/(m2?h)降至770L/(m2?h)。

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