高纳污低流阻的PTFE折叠式滤芯及其制备方法和应用与流程

文档序号:40165216发布日期:2024-11-29 15:57阅读:51来源:国知局
高纳污低流阻的PTFE折叠式滤芯及其制备方法和应用与流程

本发明涉及折叠式滤芯制备领域,尤其涉及一种高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯及其制备方法和应用。


背景技术:

1、滤芯式过滤广泛应用于水处理和各种工艺过程中,而滤芯则分为熔喷滤芯,线绕滤芯和折叠滤芯等。折叠滤芯是由超细纤维制成的具有一定空隙结构的薄膜组合、无纺布和塑料网层格等组成,采用先进的热熔和焊接工艺经过拉伸、打褶、滤材边封、固定内芯外罩、熔封端盖等流程制作而成。这种滤芯具有过滤精度高、过滤面积大,纳污容量高和可多次反冲洗使用和高压灭菌消毒等特点,是目前发展最快速的一种过滤技术,被广泛应用于化工、医药、能源、环保等领域的多种精密过滤过程中。

2、折叠式滤芯一般由纤维滤膜、塑料网层格以及塑料材质的滤芯骨架组成。塑料网层格分别用在进水和出水侧,起到导流布水的作用。由于采用折叠褶式设计,进水和出水靠塑料网层格提供的空隙通过,流道皆狭窄。现有技术中,中国发明专利cn92244291.6提供了一种多功能折叠式过滤芯,折叠式膜堆内侧置有筒形增厚导流层,中心集水管外侧表面具有导流槽,以增大滤液流量、减小阻力,这样的设计部分改善了进水侧折叠褶入口处的水流分布及流体阻力问题,但并没有解决折叠褶内流道狭窄的问题。中国发明专利cn200810138261.4提供了一种高过滤通量折叠滤芯的制作方法,在板式滤膜的两侧面分别附着一层弹性支撑网格,用折叠机将其折叠成圆弧状滤膜,再将滤膜两端粘合在一起形成圆柱状,用内层不锈钢网和外层不锈钢网将滤膜加固定型,最后用滤芯固定封头将圆柱状的滤膜顶端和底端密封固定,做成圆筒式的折叠滤芯,支撑网格的弹性作用会使滤膜折叠成圆弧形状,避免了以往折叠形状造成的死角,大大增加了滤膜的过滤通量,但是,该发明的滤芯水流流道狭窄,过滤压差高,滤膜需要反冲难度大洗,缩短了滤芯的使用寿命。


技术实现思路

1、为解决现有的滤芯在使用过程中出现的过滤压差高,滤芯水流流道狭窄,滤芯使用寿命缩短的问题,本发明提供了一种高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯,及其高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯的制备方法。

2、本发明目的在于:一、解决现有普通折叠式滤芯膜之间支撑强度低的问题。

3、二、强化折叠式滤芯深层过滤能力。

4、三、提升折叠式滤芯的纳污量。

5、四、降低滤芯在使用过程中的过滤压差,延长滤芯使用寿命。

6、为实现上述目的,本发明采用以下技术方案。

7、一种高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯的制备方法,所述方法包括:(1)将ptfe树脂与纤维熔融混匀后烧结成型,得到前驱体。

8、(2)对所得前驱体进行拉伸,得到ptfe基膜。

9、(3)以有机改性剂对ptfe基膜进行改性处理,得到有机改性ptfe基膜。

10、(4)以有机改性ptfe基膜制备过滤基质层,折叠为翅片后即得到高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯。

11、作为优选,步骤(1)所述纤维用量为ptfe树脂的40~60 wt%。

12、作为优选,步骤(1)所述纤维由聚丙烯腈纤维和聚乙烯吡咯烷酮的混合纤维;所述混合纤维中聚丙烯腈纤维和聚乙烯吡咯烷酮按照1:(1.2~1.6)的质量比混匀;所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为32000~360000。

13、作为优选,步骤(1)所述烧结成型依次分别置于110~130 ℃和190~210 ℃温度条件下进行分段烧结5~10 min。

14、作为优选,步骤(2)所述前驱体于150~210 ℃条件下进行拉伸处理,拉伸过程中控制前驱体的拉伸倍率为150~300 %。

15、作为优选,步骤(3)所述有机改性剂为正丁胺、丙烯酸甲酯、乙二胺、三乙胺、四氢呋喃和2-氯-4-烷基吡啶按照1:(1.8~2.2):2:(0.6~0.8):1:4的质量比混合均匀。

16、所述有机改性剂在35~45 ℃的温度环境中混合均匀,优选为在40 ℃的温度环境中混合。

17、所述有机改性剂使用量为ptfe基膜质量的3~5 wt%。

18、作为优选,步骤(3)所述有机改性剂以喷淋方式涂布在ptfe基膜单面,水平静置13~16 min完成改性,改性后清洗并干燥即得到有机改性ptfe基膜。

19、作为优选,步骤(4)所述过滤基质层由双层有机改性ptfe基膜构成;所用的双层有机改性ptfe基膜的改性面朝向同一侧,即使得其中一层有机改性ptfe基膜的改性面贴合另一层有机改性ptfe基膜的未改性面。

20、一种高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯。

21、一种高纳污低流阻的ptfe折叠式滤芯的应用,所述折叠式滤芯用于筒式过滤器,其围绕在筒式过滤器的内支撑筒外表面,随后在折叠式滤芯外侧套设外支撑筒对其进行固定。

22、在实际应用过程中,ptfe折叠式滤芯可以较好的过滤效率,具有优良的化学稳定性,耐热、耐寒和耐化学腐蚀性,还具备良好的电绝缘性、低表面张力和低摩擦系数、不燃性、高低温适应性能和较高的力学性能。但是由于ptfe膜具备较强的疏水性,在进行水体过滤时,流体经过过滤基层需要较大的能量,使得过滤压差高,能耗大,流体通量低;另外,若水体中的大分子含量增多,过滤基质的孔隙会被阻塞,导致流体通量下降,对于以上出现的问题本发明对ptfe基膜做了改性以及结构上的改动。而部分简单亲水化处理的ptfe膜用于制备滤芯时,由于其实际折叠后结构产生一定的即便,部分孔被拉伸扩大,确实使用时过滤压差低、能耗小、流通量大,但实际过滤效果产生了非常显著的下降。

23、对于本发明技术方案而言,首先通过其他纤维材料的相互作用搭建空间结构,使得前驱体材料具备由孔隙为主体的内部结构,同时孔隙大小的梯度变化形成了特殊功能结构,使得有效过滤面积增加,纳污能力得到提升,还能提高ptfe膜的结构稳定性,一定程度作为骨架防止折叠后产生的结构畸变,够延长滤芯使用寿命。在本发明技术方案中,通过多段熔融烧结的方式,将聚丙烯腈纤维和聚乙烯吡咯烷酮添加到聚四氟乙烯树脂中,制备前驱体。第一段烧结时,聚乙烯吡咯烷酮受热产生定向缠绕,以聚丙烯腈纤维和聚四氟乙烯树脂作为锚点进行三维网状结构的搭建,形成致密的微孔,同时聚乙烯吡咯烷酮作为高分子表面活性剂,对聚四氟乙烯树脂进行第一次结构改性,通过与聚四氟乙烯的接枝,在连接锚点附近形成亲水性聚合物,组合成为具备性能优异的抗污涂层,有效降低蛋白质等生物大分子的粘附;第二段烧结时,未参与结构改造的聚乙烯吡咯烷酮受热会向内卷曲,聚丙烯晴纤维受到卷曲的力和热的影响,将成型后的滤芯孔道呈连体弯曲状,该两种结构的配合使得本发明ptfe树脂在形成亲水性的同时产生了较优秀的内部分子制成效果,并且能够有效的避免在过滤水体过程中由于金属离子和生物大分子之间的络合导致的滤层之间粘合现象的发生,而本发明形成致密微孔结构和抗污层对ptfe树脂的结构形成支撑同时将金属离子富集在内部,使得金属离子不但不会在表面富集络合物以产生膜间制约,反而增大滤芯过滤面积,增强滤芯的纳污能力,使得本发明的ptfe折叠式滤芯的结构更加稳定而具备更长的使用寿命。

24、此外,常规的ptfe折叠式滤芯在使用过程中,由于ptfe分离膜堆叠使用,导致导致大量的过滤物富集在ptfe分离膜的堆叠界面,导致大量的杂质富集,使得滤芯的流通量快速下降,过滤压差也随之增加,难以有效实现过滤,同时杂质富集导致滤芯将可能产生一定的形变,进一步导致过滤效果的减弱。

25、对于本发明技术方案而言,通过化学接枝的方法进行改性,在弱碱性条件下,以正丁胺和丙烯酸甲酯为原料,通过迈克尔加成反应合成以正丁胺为中心的支化大分子,然后支化大分子与乙二胺进行酰胺化缩合反应,合成出以正丁胺为核支化大分子,具体反应式如下所示:

26、式中:r为c≥6的烷烃。

27、通过上述改性过程在孔隙表面接枝形成双四齿多氨结构(),对对重金属离子具有良好的络合能力,与水体中的金属离子进行络合反应,合成出具有不同空间位阻取代基的桥连金属配合物,反应方程式如下,金属配合物组成的双四齿多胺结构存在大量氢键,使得表面结构具备很高的亲水性,使得改性后的滤芯水通量增加,减小改性后滤芯的过滤压差。通过多次改性构建新的功能结构,达到降低过滤压差,强化折叠式滤芯深层过滤能力,提升折叠式滤芯的纳污量,进而延长折叠滤芯使用寿命,提高滤芯的过滤速率及过滤效果,络合反应如下。

28、

29、式中:m为金属阳离子。

30、在本发明技术方案中,主要使用有机结合的方法进行化学接枝,将正丁胺吸附到聚四氟乙烯膜表面,受热后正丁胺自由基夺取聚四氟乙烯骨架上的氢,生成的大分子基团在水相中与丙烯酸甲酯反应,能够得到接枝有三乙胺的聚四氟乙烯膜表面,降低接触角并且提高对大分子截留率,表现出良好的亲水性与抗污染性。四氢呋喃做交换剂在聚四氟乙烯膜表面进行界面缩聚反应,即得改性膜。若聚四氟乙烯仅和少量的正丁胺制备不能增强聚四氟乙烯膜的特性,最好的聚四氟乙烯膜是用聚合物的纤维混合物和正丁胺反应,生成一个交联网结构的改性膜,具备高亲水性、无污染性和高的液体通量。由于正丁胺上官能团的作用,在水体与聚四氟乙烯膜表面相连建的界面上形成选择性定向吸附,使界面的性质发生显著变化。双齿结构会在与ptfe膜孔表面相接的界面上形成致密的亲水层,而改善界面的亲水性,离子表面活性剂含有电荷可以通过静电排斥相同的物质在界面上的吸附。

31、同时在有机改性剂的改性作用下,改变了纤维孔隙大小。聚丙烯腈纤维形成的微孔与官能团完成乳化,并且依附在微孔附近的网状树脂上,形成以聚四氟乙烯树脂为骨架的纤维内部结构,使得聚四氟乙烯膜内部结构更加稳定,但是表层微孔会相互合并进而扩大,微孔间相互连接呈现葡萄链状,外层孔隙大数量少,向内层延伸时空隙变小,密集出现,孔径致密均匀,形成孔径大小的梯度变化,在使用过程中,颗粒会在滤层孔道中产生“架桥”现象。在本发明技术方案中需要严格控制有机改性时间,时间过短会导致表面乳化不完全,骨架结构不牢固,反而降低了滤芯的抗压强度,缩短滤芯使用寿命;时间过长会导致单面涂布效果不明显,分离膜整体成为大孔隙结构,丧失了孔径的梯度变化和特殊的功能结构。

32、本发明的优点在于:(1)本发明提供的ptfe折叠式滤芯解决了现有普通折叠式滤芯膜之间支撑强度低的问题。

33、(2)本发明提供的制备方法可以强化折叠式滤芯深层过滤能力,提高折叠式滤芯的纳污量。

34、(3)本发明方案中构建的特殊结构能够有效地降低滤芯在使用过程中的过滤压差,延长滤芯使用寿命。

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