专利名称：一种纤维素改进透湿阻隔复合薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于高分子薄膜技术领域，具体涉及一种纤维素改进透湿阻隔复合薄膜及其制备方法，应用于空气换热器、离子交换膜、水处理以及记载文字的特种功能纸张等用途。
背景技术：
随着生活水平的提高，人们的生活空间越来越受到现代文明的影响。冬季采暖、夏季制冷空调的采用，使室内外温差较大。为节能，人们强化了建筑的气密性及保温性，导致如果不能及时换气，室内空气品质将明显恶化；更由于许多人在装修住宅时，使用了诸如强化木地板、纤维板、泡沫绝缘材料、大理石等含污染和有毒气体的装修材料，以及使用了粘结剂，这些东西会释放大量的污染物，如甲醛、苯等，严重污染住宅的室内空气品质，威胁人们的身体健康。因此，改善室内空气品质受到人们极大的关注。新风流通始终是一种改善室内空气品质的有效而经济的方法，该方法通过室内外空气的交流达到改善室内空气的目的。目前，国内一般使用空气换热器进行室内外空气的能量交换，有些空气换热器能够同时对进入室内的空气与从室内排出的空气进行能量和湿度的交换，从而使进入室内的空气的温度和湿度调整到接近室内的温度和湿度。热交换元件是空气换热器的关键部件，目前的空气换热器中的热交换元件一般由铝制材料制成。但是，由于金属和金属合金的传热系数较低，从而影响这种热交换元件两侧气流之间的热量传递效率；此外，利用金属管或板作为换热材料，会导致设备造价很高、外形偏笨重。国际上一般采用先进的纸芯换热器进行室内外空气的能量交换，最近几年我国也在逐渐开发此类空气换热器，但是大部分高档纸芯仍然依赖日本等国进口，这大大增加了产品的成本，降低了产品的市场竞争力。另外，国外的纸芯也存在很多不足之处，不仅回收效率低，而且易发生新风与排风之间的混合和泄漏，更严重的是在冬天运行时，凝结水对纸芯具有破坏性，这些缺点都限制了采用纸芯的空气换热器的发展。随着薄膜技术的发展，采用薄膜作为空气换热器的热交换材料时，由于无腐蚀问题、无需阀门切换、无运动部件，系统可靠性高，易维护，能耗小等优点而引起了科研工作者的极大兴趣。在申请号为CN201010576547.8的中国发明专利申请《一种透热透湿的复合薄膜及其制备方法》中，我们公开了一种由高聚物、硅酸盐和添加剂组成的透湿透热阻隔的复合薄膜，具有低成本与高透热透湿性能等优点，作为空气换热器的热交换材料具有良好的应用前景。为了进一步满足该透热透湿的复合薄膜在实际应用中的要求，尤其是作为热交换材料在空气换热器中的要求，我们继续探索研究如何提高该复合薄膜的各项性能，例如， 透湿透热性能、二氧化碳等气体的阻隔性能以及机械性能。其中，提高二氧化碳等气体的阻隔性能是为了在透热透湿交换过程中阻隔二氧化碳、氮气等气体，以保证室内空气质量；提高机械性能是为了使该复合薄膜在实际应用中抗拉伸、抗撕裂等。但是，这些性能彼此独立，没有直接联系，因此，如何同时提高这些性能是我们所面临的技术难题之一。
发明内容
本发明的技术目的是针对申请号为CN201010576547.8的中国发明专利申请《一种透热透湿的复合薄膜及其制备方法》公开的透热透湿复合薄膜，探索研究如何进一步提高该复合薄膜的各项性能，包括透湿性能、二氧化碳等气体的阻隔性能以及机械性能，使其满足实际应用的要求，尤其是作为热交换材料在空气换热器中的要求。本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为一种纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，由高聚物、硅酸盐和添加剂组成，所述的硅酸盐以晶相粉粒分散在高聚物中，形成多相固态薄膜；所述的高聚物具有可溶性或可熔性，硅酸盐具有层状或孔状结构；按照质量百分比计，所述的高聚物的含量为10% 80%，硅酸盐的含量为10% 90%，添加剂的含量为 20%，其特征是所述的添加剂包括纤维素物质，所述的纤维素物质为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、醋酸纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素中的一种或几种的混合物。作为优选，所述的纤维素物质在复合薄膜中的含量为3% 10%。作为优选，所述的添加剂还包括吸湿剂、抗菌剂、阻燃剂和抗氧化剂中的一种或几种。作为优选，所述的高聚物的含量为20% 50%。作为优选，所述的聚合物为聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、可溶性氟碳聚合物、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯以及其他具有热塑性的高聚物中的一种或几种的混合物。作为优选，所述的硅酸盐为有沸石、高岭土、凹凸棒、蒙脱石、天然含伴生相的矿物或经人工处理的硅酸盐的混合物或化合物。本发明一种纤维素改进透湿阻隔复合薄膜的制备方法是将所述的高聚物用有机溶剂溶解或升温软化制成流体，然后加入适量硅酸盐粉粒和添加剂，搅拌均勻成悬浊液，最后采用流延法、压延法、模压法或蒸发溶剂法等方法将该悬浊液制成薄膜。上述制备方法中，所述的有机溶剂为乙二醇二甲醚、四氢呋喃、碳酸丙烯酯、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。与申请号为CN201010576547. 8的中国发明专利申请《一种透热透湿的复合薄膜及其制备方法》相比，本发明在构成复合薄膜的原料中添加了纤维素物质，该纤维素物质的加入不仅使复合薄膜具有了优异的二氧化碳等气体的阻隔性能，而且意想不到得提高了复合薄膜的透湿性能，以及提高了复合薄膜的机械性能，从而使该复合薄膜更加具有市场竞争力，满足了实际应用的要求，尤其是作为热交换材料在空气换热器中的要求。
图1 (a)是纯聚氯乙烯薄膜的扫描电镜图；图1(b)是对比实施例1中由聚氯乙烯和钠基蒙脱石以质量比4 6组成的复合薄膜的扫描电镜图；图1(c)是实施例1中由聚氯乙烯、钠基蒙脱石和醋酸纤维素以质量比为 4 5.7 0.3组成的复合薄膜的扫描电镜图；图1(d)是实施例2中由聚氯乙烯、钠基蒙脱石和醋酸纤维素以质量比为 4 5.4 0.6组成的复合薄膜的扫描电镜图2是对比实施例1、实施例1及实施例2中得到的复合薄膜的力学性能测试结果对比图，其中横轴的4 6代表对比实施例1，4 5. 7 0.3代表实施例1，4 5. 4 0. 6 代表实施例2 ；图3是用钢笔在本发明实施例1中得到的复合薄膜上书写后的清晰笔迹图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明，需要指出的是，以下所述实施例例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。对比实施例1 本对比实施例是申请号为CN201010576547.8的中国发明专利申请《一种透热透湿的复合薄膜及其制备方法》中公开的一种实施例，具体如下。透热透湿的复合薄膜，由聚氯乙烯和钠基蒙脱石组成，其中钠基蒙脱石以晶相粉粒分散在聚氯乙烯中，形成多相固态薄膜；聚氯乙烯和钠基蒙脱石的质量比为4 6。上述复合薄膜的制备方法为取工业用聚氯乙烯粉4g溶于150mL四氢呋喃有机溶剂中，所得澄清液中加入钠基蒙脱石，聚氯乙烯粉与钠基蒙脱石的质量比为4 6;超声振荡20分钟制成悬浊液，在玻璃板上流延、晾干成自悬挂式膜；在40°C鼓风干燥箱内保持半小时后揭下薄膜，膜厚为20 μ m 100 μ m，膜质软，任意角度卷折不开裂。在大气气氛下存放2天后，其外观无明显变化。观察上述复合薄膜的表面形貌，将该复合薄膜的扫描电镜图与纯聚氯乙烯薄膜的扫描电镜图相比较，得到图1(a)与图1(b)，从图中可以看出，当在纯聚氯乙烯中加入钠基蒙脱石后，其分散性一般，还有一些团聚。对上述复合薄膜进行水蒸气透过率测试，在测试温度为38°C，透过面湿度为90% 的测试条件下，得到每天每平方米薄膜的水蒸气透过为679. 6克，即透湿效果为679. 6g/m2/ day ο将上述复合薄膜样品制成空气换热器机芯，按照GB/T21087-2007进行热交换性能检测，得到温度效率为47. 5%，焓效率为45. 5%。实施例1 本实施例中，透湿阻隔的复合薄膜由聚氯乙烯、钠基蒙脱石和醋酸纤维素组成，其中钠基蒙脱石以晶相粉粒分散在聚氯乙烯中，形成多相固态薄膜；聚氯乙烯粉、钠基蒙脱石和醋酸纤维素的质量比为4 5.7 0.3。上述复合薄膜的制备方法为取工业用聚氯乙烯粉3g溶于150mL四氢呋喃有机溶剂中，所得澄清液中加入醋酸纤维素和钠基蒙脱石，聚氯乙烯粉、钠基蒙脱石和醋酸纤维素的质量比为4 5.7 0.3 ；超声振荡20分钟制成悬浊液，在玻璃板上流延、晾干成自悬挂式膜；在40°C鼓风干燥箱内保持半小时后揭下薄膜，膜厚为20 μ m 100 μ m,膜质软，任意角度卷折不开裂。在大气气氛下存放2天后，其外观无明显变化。观察上述复合薄膜的表面形貌，将该复合薄膜的扫描电镜图与纯聚氯乙烯薄膜的扫描电镜图相比较，得到图1(c)所示的扫描电镜图，将图1(c)与图1(b)对比可知，当在钠基蒙脱石基础上添加醋酸纤维素后加入纯聚氯乙烯中，其分散性显著提高。对上述复合薄膜进行水蒸气透过率测试，在测试温度为38°C，透过面湿度为90%的测试条件下，得到每天每平方米薄膜的水蒸气透过为774. 7克，即透湿效果为774. 7g/m2/ day。与实施例1中的复合薄膜相比，其透湿效果有所提高。对上述复合薄膜样品按照GB/T 1038-2000进行气体阻隔性能检测，数据结果见表1。结果表明上述制备得到的复合薄膜具备非常优异的气体阻隔性。表1 复合薄膜的(X)2气体与N2气体的阻隔性能测试结果
试样名称检测项目及单位 __
CO2N2国产商业纸芯7.9 X101° 8.3 XIO10
- 气体透过量 -
进口商业纸芯 cm3/(m224h.0.1MPa) 5.5 XIO54.1 XIO5
实施例 12.2 XIO54.7XIO5对上述复合薄膜进行力学性能测试，测试结果如图2所示。从图2中可知，当添加醋酸纤维素后，复合薄膜的力学性能较不添加纤维素物质的对比实施例1得到的复合薄膜有显著提高。如果将上述复合薄膜作为纸张，可以用毛笔、圆珠笔或钢笔等在该复合薄膜上书写绘画等，如图3所示，得到清晰的字迹。实施例2 本实施例中，透湿阻隔的复合薄膜由聚氯乙烯、钠基蒙脱石和醋酸纤维素组成，其中钠基蒙脱石以晶相粉粒分散在聚氯乙烯中，形成多相固态薄膜；聚氯乙烯粉、钠基蒙脱石和醋酸纤维素的质量比为4 5.4 0.6。上述复合薄膜的制备方法为取工业用聚氯乙烯粉3g溶于150mL四氢呋喃有机溶剂中，所得澄清液中加入醋酸纤维素和钠基蒙脱石，聚氯乙烯粉、钠基蒙脱石和醋酸纤维素的质量比为4 5.4 0.6 ；超声振荡20分钟制成悬浊液，在玻璃板上流延、晾干成自悬挂式膜；在40°C鼓风干燥箱内保持半小时后揭下薄膜，膜厚为20 μ m 100 μ m，膜质软，任意角度卷折不开裂。在大气气氛下存放2天后，其外观无明显变化。观察上述复合薄膜的表面形貌，将该复合薄膜的扫描电镜图与纯聚氯乙烯薄膜的扫描电镜图相比较，得到图1(d)所示的扫描电镜图，将图1(d)与图1(b)对比可知，当在钠基蒙脱石基础上添加醋酸纤维素后加入纯聚氯乙烯中，其分散性显著提高。对上述复合薄膜进行水蒸气透过率测试，在测试温度为38°C，透过面湿度为90% 的测试条件下，得到每天每平方米薄膜的水蒸气透过为785. 0克，即透湿效果为785. Og/m2/ day。与对比实施例1中的复合薄膜相比，其透湿效果有所提高。对上述复合薄膜样品按照GB/T 1038-2000进行气体阻隔性能检测，数据结果见表1。结果表明上述制备得到的复合薄膜具备非常优异的气体阻隔性。表1 复合薄膜的CO2气体与N2气体的阻隔性能测试结果
权利要求
1.一种纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，由高聚物、硅酸盐和添加剂组成，所述的硅酸盐以晶相粉粒分散在高聚物中，形成多相固态薄膜；所述的高聚物具有可溶性或可熔性，硅酸盐具有层状或孔状结构；按照质量百分比计，所述的高聚物的含量为10% 80%，硅酸盐的含量为10 % 90%，添加剂的含量为 20%，其特征是所述的添加剂包括纤维素物质，所述的纤维素物质为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、醋酸纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素中的一种或几种的混合物。
2.根据权利要求1所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，其特征是所述的纤维素物质在复合薄膜中的含量为3% 10%。
3.根据权利要求1或2所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，其特征是所述的添加剂还包括吸湿剂、抗菌剂、阻燃剂和抗氧化剂中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，其特征是所述的高聚物的含量为20% 50%。
5.根据权利要求1或2所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，其特征是所述的高聚物为聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、可溶性氟碳聚合物、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯以及其他具有热塑性的高聚物中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜，其特征是所述的硅酸盐为有沸石、高岭土、凹凸棒、蒙脱石、天然含伴生相的矿物或经人工处理的硅酸盐的混合物或化合物。
7.根据权利要求1所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜的制备方法，其特征是将所述的高聚物用有机溶剂溶解或升温软化制成流体，然后加入适量硅酸盐粉粒和添加剂，搅拌均勻成悬浊液，最后采用流延法、压延法、模压法或蒸发溶剂法等方法将该悬浊液制成薄膜。
8.根据权利要求7所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜的制备方法，其特征是所述的有机溶剂为乙二醇二甲醚、四氢呋喃、碳酸丙烯酯、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。
9.根据权利要求7所述的纤维素改进透湿阻隔复合薄膜的制备方法，其特征是采用流延法、压延法、模压法或蒸发溶剂法将悬浊液制成薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种纤维素改进透湿阻隔复合薄膜及其制备方法。该复合薄膜由高聚物、硅酸盐和添加剂组成，硅酸盐以晶相粉粒分散在高聚物中，形成多相固态薄膜；高聚物具有可溶性或可熔性，硅酸盐具有层状或孔状结构；按照质量百分比计，高聚物的含量为10％～80％，硅酸盐的含量为10％～90％，添加剂的含量为1％～20％；并且添加剂包括羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、醋酸纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素中的一种或几种的混合物。与现有技术相比，本发明的复合薄膜不仅具有优异的二氧化碳等气体的阻隔性能，而且提高了复合薄膜的透湿性能以及机械性能，从而使该复合薄膜更加具有市场竞争力。
文档编号C08L23/28GK102382364SQ20111019284
公开日2012年3月21日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者刘秉鑫, 李娟 , 薛立新, 陈景 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所