聚氨酯中空纖維膜性能測試與分析

梁海先++++方明

摘要本文采用熔體紡絲制得聚氨酯中空纖維膜，并通過強力測試儀、掃描電子顯微鏡、常規膜性能測試儀等測試設備對中空纖維膜的微孔結構及其壓力響應性能進行測試與分析。

關鍵詞：聚氨酯；中空纖維膜；壓力響應性性能

1 引言

聚氨酯（PU）作為一種集橡膠高彈性與塑料成型加工性于一體的特殊材料，具有優良的延伸回復性，耐寒、耐油、耐磨耗、耐彎折，廣泛用于工業、汽車業、制鞋業、電線和電纜等行業[1]。由于其具有一定的形狀記憶功能，作為一種智能的過濾材料日益受到關注[2-5]。本文采用PU作為紡絲材料，以常用成孔劑聚乙二醇（PEG）為孔結構調節劑，通過熔融共混的方法制備了PU中空纖維膜，并通過強力測試儀、掃描電子顯微鏡、常規膜性能測試儀等測試設備對中空纖維膜的性能進行測試，分析和討論了中空纖維膜的微孔結構，觀察了其表面形貌，并研究了中空纖維膜的形貌、水通量和壓力的變化關系。

2 試驗部分

2.1 原料

聚氨酯（PU，型號1180），天津呈宇彈性體有限公司；聚乙二醇20000（PEG20000），相對分子量為19000，天津天泰精細化學品有限公司。

2.2 試驗儀器

錐型雙螺旋混合機（ZLH-0.015M3P），上海申港機械廠；同向雙螺桿擠出機（TSE-20），南京瑞亞弗斯特高聚物裝備有限公司；掃描電子顯微鏡（Quanta 200），荷蘭 FEI；膜性能測試儀，天津膜天膜工程技術有限公司。

2.3 中空纖維膜制備

分別將PU和PEG，按一定比例加入錐形雙螺旋混合機中，混合一定時間取出，采用同向雙螺桿擠出機，經熔體紡絲得到PU中空纖維膜。將所得中空纖維膜置于蒸餾水中浸泡一定時間后，常溫干燥。

2.4 中空纖維膜力學性能測試

用強力測試儀測試纖維膜的力學性能。其中，纖維膜測試長度為：10mm，溫度為：室溫25℃，拉伸速度為：10mm/min，樣品數為6個，取平均值。

2.5 中空纖維膜掃描電子顯微鏡觀察

纖維膜經液氮冷卻、淬斷、鍍金后，用掃描電子顯微鏡（SEM）對中空纖維膜的橫截面和表面進行不同倍數的掃描并照相，觀察中空纖維膜形態結構。

2.6 中空纖維膜水通量測試及其壓力響應性表征

水通量是指在一定的工作壓力下，單位膜面積在單位時間內透過水的體積，是研究和分析中空纖維膜的性能和膜孔結構的主要指標，其計算式為：

J=V/（A×t） （1）

式中，J——中空纖維膜的水通量，L/m2·h；

V——濾過液體的體積，L；

A——纖維膜的有效面積，m2；

t ——獲得V體積濾液所需的時間，h。

水通量的測定為：先將中空纖維膜在一定的壓力下預壓15分鐘，使膜結構較穩定后，再以15分鐘內透過膜的純水體積，按上述公式計得該膜的水通量（過程見圖1）。

1—水槽；2—泵；3—壓力表；4—中空纖維膜；

5—透過液；6—閥門

圖1 中空纖維膜水通量測試過程圖

中空纖維膜水通量的壓力響應性，通過纖維膜水通量隨測試壓力升降的變化曲線表征。文中測定纖維膜的壓力響應曲線時，濾膜在0.15MPa壓力下預壓15分鐘，使膜結構較穩定后，先依次升高壓力（一般取4個壓力點），測定各個壓力點的水通量，確定其升壓曲線，再逐點降低壓力，測定各個降壓點的水通量，確定其降壓曲線，以至形成一個循環。

3 結果與討論

3.1 PU中空纖維膜的微觀結構

圖2為制得的PU中空纖維膜照片，中空纖維膜為內徑在0.7～1.2毫米，外徑為1.1～1.5毫米的中空狀。通過掃描電鏡觀察纖維膜的結構，發現纖維膜壁上存在大量的微孔，由圖3可以看出纖維膜的橫截面微孔為均質結構，典型的蜂窩狀孔，其表面開孔率高，孔徑較大，孔徑在0.05～2.0微米。PU中空纖維膜截面及表面的微孔，即為成孔劑PEG洗除后，在原位置所形成的微孔；增加膜表面微孔數量，可提高中空纖維膜的水通量，亦有利于提高其在污水凈化領域的應用前景。

圖2 制得的PU中空纖維膜照片

3.2 PU中空纖維膜形貌的壓力響應性

由于PU是軟/硬段交替連接形成的（AB）n型嵌段共聚物，軟段在室溫下處于高彈態，受力時能產生較大的伸長變形，并具有優良的回彈性。表1為纖維膜的力學性能，可以看出與常規聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜相比，PU中空纖維膜的斷裂強力高，斷裂伸長率可達800%，且具有70%以上的彈性恢復率。因此，當PU中空纖維膜的工作壓力發生變化時，纖維膜的孔徑隨壓力變化，或擴張或回縮。

表1 纖維膜的力學性能

圖4為在水通量測試時，隨壓力的升降，纖維膜的形貌變化。由圖可知，隨著壓力的升高，纖維膜膨脹，隨著壓力的下降，纖維膜恢復原貌，對壓力有響應性。

（a）壓力為 0.05 MPa （b）壓力增至0.12 MPa

（c）壓力增至0.15 MPa （d）壓力回復至0.05 MPa

圖4 PU中空纖維膜形貌和壓力變化的關系

另外，纖維膜的形變與膜壁厚有關，當纖維膜壁厚較大時，其耐壓強度較高，隨著壓力的上升，纖維膜均勻膨脹，但纖維膜壁厚較薄或均勻度較差時，在較大壓力的作用下，易在纖維膜的薄弱處應力集中，纖維膜形變不均勻，導致“鼓泡”現象，如圖5（b）所示，且由于纖維膜形變中包含部分塑性形變，隨著壓力的回復，纖維膜局部不能恢復原樣，如圖5（c）所示。

（a）0.1 MPa壓力

（b）0.3 MPa壓力

（c） 0.1MPa壓力endprint

圖5 PU纖維膜形貌“鼓泡”現象

3.3 PU中空纖維膜水通量的壓力響應性

在水通量的測試過程中常用Hagen-Poiseuille方程描述流體通過膜孔的過程，見公式（2）：

（2）

式中，Ak——為孔隙率；

r——孔半徑；

ι——曲折因子；

L——膜的厚度；

?——液體的黏度；

P——過濾過程中的壓力差。

通常在微濾膜的純水通量測試中，常規膜的孔結構穩定，膜的孔結構參數Ak、r、ι、L可認為定值，由式（2）可知，其水通量與壓力呈線性關系。

圖6為PU中空纖維膜水通量與壓力升降的關系曲線。圖6可見，纖維膜水通量與壓力升降的關系曲線呈下凹狀，這表明水通量與壓力呈非線性關系，即當壓力升高時，PU分子鏈發生伸展，膜膨脹變形；壓力下降后，膜形變得以回復，以致膜孔隨壓力的變化而變化，具備壓力響應性，從而導致膜孔的過水量發生變化。

圖6 PU纖維膜水通量與工作壓力升降的關系

4 結論

以PU和PEG為原料共混，經熔融紡絲法可制得PU中空纖維膜，該纖維膜壁上存在大量的微孔，纖維膜的橫截面微孔為均質結構，呈蜂窩狀孔，其表面開孔率高，孔徑較大；當中空纖維膜的工作壓力發生變化時，纖維膜的孔徑隨壓力變化而擴張或回縮，從而導致膜孔的過水量發生變化，具備壓力響應性。

參考文獻：

[1] 山西化工研究所編.聚氨酯彈性體手冊[M].北京：化學工業出版社，2001：56-100.

[2 ] Rzeszutrk K，Chow A. Extraction of phenols using polyurethane membrane[J]. Talanta ，1998 ，（46） ：507-519.

[3] Oleschuk R D ，Chow A. Transport of iron halides through polyurethane ether - type membranes [J]. Talanta ，1995 ，（42）：957-965.

[4]Sivakumar M， Malaisamy R， Sajitha C J， et al. Preparation and performance of cellulose acetate-polyurethane blend membrane and their application（II）[J]. J Membr Sci， 2000， 169：215-228.

[5] 朱光明.形狀記憶聚合物及其應用[M].北京：化學工業出版社，2002：178-219.

（作者單位：梁海先，廣東職業技術學院；方明，廣州纖維產品檢測研究院）endprint