一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜及其制备方法和用途技术

技术编号:14832617 阅读:44 留言:0更新日期:2017-03-16 19:33
本发明专利技术涉及一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜及其制备方法和应用。该技术有机地将高分子导湿聚合物与石墨烯基复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键、共价键等有效化学键链接,从而在导湿聚合物的基础上形成具有强化亲水‑疏水基团的透水通道,同时显著提高透水膜在透水过程中的机械强度、耐摩擦强度及耐酸碱性能、抗菌防污染能力、导热和耐热等特性,是一种长寿命、工作期间无需更换、具有自清洁能力的多功能复合材料透水膜。此复合膜材料可应用于全热交换器、湿度调节器、污水处理及其它适于透水或过滤水的场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高分子复合材料的制备领域,具体地说,涉及一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜及其制备方法和用途
技术介绍
近年来,随着膜分离技术研究的不断深入与应用市场的不断扩大,膜分离技术已成为水处理行业的一支重要力量。在膜材料中,高分子材料具有其无可比拟的优越性。构成高分子水处理膜的高分子存在多种类型。例如,聚矾(PS)类、聚偏氟乙烯(PVDF)类、聚乙烯(PE)类、乙酸纤维素(CA)类、聚丙烯腈(PAN)类等各种高分子材料,作为分离膜被用作高分子水处理膜。就膜材料的存在形式而言,可以分为平板膜,中空纤维膜等等,可以根据具体应用来选择。根据膜能够截留粒子尺寸的不同,水处理膜可以分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜及反渗透膜(RO)。微滤膜能够除去微米和亚微米级别的胶体颗粒,作为一般的标准,微滤膜能够过滤低至0.1pm的颗粒。超滤膜的孔径一般在5nm至100nm之间,可以100%的除去水中的细菌及病毒等。纳滤膜和反渗透膜则用于更小的粒径范围,可以除去水中的金属离子等杂质。对于纳滤膜,其孔径在1nm以上,一般在1-2nm,对于反渗透膜,则在0.1nm左右。由于极细微的孔径,虽然水的净化有效性较高,但却会导致孔极其易被细小颗粒或细菌病毒堵塞或附着,使得水净化出现障碍,带来了使用上的不便。而且由于细菌病毒在堵塞部位或附着部位的繁殖,导致净化水一定程度的污染,从而需要频繁的更换,增加了经济成本。反渗透膜,是在压力下使溶液中的溶质在反渗透膜浓度高的一侧浓度升高,在反渗透膜浓度低的一侧浓度下降,从而与溶剂分离的过程中应用,因此需要具备较强的机械强度。现有的反渗透膜由于机械强度、耐酸碱性和耐热性等方面的性能问题,本应长期使用,但在使用中一旦出现破损就需要立即更换,除了带来使用上的不便之外,还降低了工作效率。由此可见,通常作为高分子水处理膜所要求的性能,除了目标的分离特性以外,还可以列举:具有优异的透水性、物理强度优异、相对于各种化学物质的稳定性(即耐药品性)高、过滤时不易附着污垢(即耐污染性优异)等。以往的高分子膜材料,多为多孔材料,这虽然满足了透水性的问题,在防污染能力方面却存在着很大的不足,机械强度方面的性能也有待改进,所以开发一款新型的水处理膜材料势在必行。石墨烯是一种SP2杂化具有蜂窝状的碳材料,单层石墨烯的厚度只有0.334nm,是目前已知最薄的材料。石墨烯具有超大的比表面积可达约2600m2/g,鉴于其超高的比表面积的特性,石墨烯材料已在环境吸附和空气净化方面得到了广泛研究;并且因为石墨烯材料本身非常稳定,在材料科学研究中通常选取其为复合材料的载体,用来制备石墨烯基复合材料。石墨烯也因具有很高的传导性能和载流子速率性能,可应用于电子信息技术中;并且因为其具有超大的热导率(-5000W/m*K),石墨烯也引起了传热方面的研究人员的极大兴趣,将其应用到导热介质中,制备高热导率的传热介质。在以往的研究中发现石墨烯具有一定的抗菌性能,随后出现一系列的具有较好抗菌性能的石墨烯/银纳米复合抗菌材料,研究发现此类材料在制备的工艺均具有一定的复杂性或者使用效果具有一定的局限性。一些研究选取二氧化钛进行协同促进石墨烯/银的抗菌性能,这是利用二氧化钛光催化材料的较高的光催化活性、无毒性、化学性质稳定、抗光腐蚀性能强等技术特点,以往研究中已有大量的报道证明二氧化钛能用于环境保护领域中(如:空气净化,水的灭菌消毒等)。在考虑到纳米二氧化钛的团聚性会直接影响其催化性能,选用比表面积大的石墨烯作为载体,可使得其能有效地分散在石墨烯片层展现更好的催化抗菌性能。
技术实现思路
为了克服现有水处理技术中满足了透水性要求的膜材料在防污染抗菌能力方面急需改进,机械强度的性能也有待改进的不足,本专利技术有针对性地开发了一种新型的透水膜材料。此种透水膜材料的机械强度、防污染性、耐酸碱性、耐热性、导热性等多项功能相对现有的透水膜均显著提高,因此此种透水膜被称为多功能透水膜。具体地,本专利技术第一方面提供了一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,该透水膜包含:a)选自如下的至少一种导湿高分子聚合物:导湿均聚物、导湿共聚物、及其任意组合;b)石墨烯或石墨烯复合材料;和c)微孔基材,其中,在微孔基材内所述导湿高分子复合物与所述石墨烯或石墨烯复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键和/或共价键的有效化学键链接,从而形成具有强化亲水-疏水基团的透水通道,实现了透水膜选择性透水,最终得到高纯水。加入的所述石墨烯或石墨烯复合材料可以是基于所述导湿高分子聚合物质量的0.01%到5%。本专利技术采用的一种技术方案是所述导湿高分子聚合物为选自如下的至少一种:商品化聚氧化乙烯(PEO)、聚苯乙烯硫酸、聚酯、聚碳酸酯(PC)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)、磺化的苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)等及它们的聚合物或混合物。所述导湿高分子聚合物的平均分子量可选在10000到1000000的范围。此导湿高分子聚合物可含有选自如下的至少一种极性基官能团:-OH、-SH、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H、-NH2等。本专利技术所提供的透水膜中还可含有d)选自如下的至少一种添加剂:抗氧化剂、紫外稳定剂或氧化、热和紫外光降解抑制剂、交联剂及它们的混合物。本专利技术所使用的石墨烯或石墨烯复合材料可为部分氧化或全氧化石墨烯片、氧化石墨烯/银材料、氧化石墨烯/二氧化钛材料、或氧化石墨烯/银/二氧化钛复合材料。所述石墨烯或石墨烯复合材料含有选自如下的至少一种极性基官能团:-OH、-SH、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H、-NH2等。所述的部分氧化或全氧化石墨烯片具有薄层结构且片层是1-10个碳原子层厚度,片层的大小可为1-100μm。本专利技术所提供的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜的机械强度、耐摩擦强度显著提高,能承受压强不小于0.1兆帕(MPa),优选不小于0.15MPa,更优选不小于0.2MPa。在用透水膜处理水的不同工作条件中,如果膜的耐酸碱性不强,耐热性不强,在较强腐蚀性或高热的环境中长期使用会降低膜的机械强度,从而影响到膜的耐用性,而本专利技术的透水膜特别在这方面具有其他膜无法比拟的优势。本专利技术所提供的透水膜的耐酸碱性能显著提高,例如在自来水处理厂的常规水处理条件下使用寿命大大增长,在10年以上。所述透水膜的抗菌防污染能力也显著提高,防霉等级为0级,即不长菌,在工作期间无需更换、具有自清洁能力。所述透水膜的导热系数和耐热能力也显著提高,导热系数不小于0.3W/mK,优选不小于0.5W/mK;耐热温度可达150℃,优选达到200℃。本专利技术所提供的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜的厚度在1-300μm的范围,可选在5-250μm,20-100μm的范围。在本专利技术所提供的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜为交联的膜时,其上述多功能的性能更为突出。本专利技术提供的含石墨烯或石墨烯复合材料的多功能高分子膜材料在具有优异透水性的同时具有很好的机械强度、耐热性、导热性、耐酸碱性能和抗菌性能,是因为其属于纳孔材料,即其中组成分子通过本文档来自技高网
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一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜及其制备方法和用途

【技术保护点】
一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,该透水膜包含:a)选自如下的至少一种导湿高分子聚合物:导湿均聚物、导湿共聚物、及其任意组合;b)石墨烯或石墨烯复合材料;和c)微孔基材,其中,在微孔基材内所述导湿高分子聚合物与所述石墨烯或石墨烯复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键和/或共价键的有效化学键链接,从而形成具有强化亲水‑疏水基团的透水通道。

【技术特征摘要】
1.一种多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,该透水膜包含:a)选自如下的至少一种导湿高分子聚合物:导湿均聚物、导湿共聚物、及其任意组合;b)石墨烯或石墨烯复合材料;和c)微孔基材,其中,在微孔基材内所述导湿高分子聚合物与所述石墨烯或石墨烯复合材料通过极性基官能团形成氢键、离子键和/或共价键的有效化学键链接,从而形成具有强化亲水-疏水基团的透水通道。2.如权利要求1所述的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,所述导湿高分子聚合物为选自如下的至少一种:商品化聚氧化乙烯、聚苯乙烯硫酸、聚酯、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚酰胺、聚氨酯、磺化的苯乙烯-丁二烯橡胶、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮、它们的聚合物和它们的混合物。3.如权利要求2所述的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,所述导湿高分子聚合物含有选自如下的至少一种极性基官能团:-OH、-SH、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H和-NH2。4.如权利要求1所述的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,该透水膜还包含:d)选自如下的至少一种添加剂:抗氧化剂、紫外稳定剂或氧化、热和紫外光降解抑制剂、交联剂及它们的混合物。5.如权利要求1所述的多功能石墨烯/高分子复合材料透水膜,其特征在于,所述石墨烯或石墨烯复合材料为部分氧化或全氧...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭剑锋韩霜张艺纯
申请(专利权)人:中山市创思泰新材料科技股份有限公司
类型:发明
国别省市:广东;44

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