專利名稱：一種親水－憎水雙極復合膜及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于空氣除濕與空調全熱回收領域，具體涉及一種用于實現(xiàn)空氣除濕與空調全熱回收的親水—憎水雙極復合膜及其制備方法。
背景技術：
目前，由于人們越來越重視室內空氣的質量，并尋求一種可以使空氣除濕與空氣全熱回收過程連續(xù)進行，無腐蝕問題，無須閥門切換，無運動部件，系統(tǒng)可靠性高，易維護，能耗小，維護費用低等的除濕與全熱回收方法。而這正是膜法除濕與全熱回收和傳統(tǒng)除濕與全熱回收方法相比所具有優(yōu)點。
傳統(tǒng)的空氣除濕方法包括冷卻法除濕、固體吸附劑除濕和液體吸濕劑除濕。冷卻法除濕是將濕空氣冷卻到露點溫度以下，使空氣中的水蒸氣冷凝后從空氣中脫除。冷卻法除濕不能達到很低的露點，它需要消耗大量的能量來冷卻空氣，使水蒸氣冷凝并帶走冷凝產(chǎn)生的熱量。固體吸附劑除濕是利用某些固體吸附劑吸濕的方法來進行除濕，如硅膠、氧化鋁、氯化鈣等對水蒸氣有強烈的吸附作用，當濕空氣流過這些吸濕劑堆積而成的填充床時，空氣中的水蒸氣就被脫除，達到除濕的目的。固體吸附劑除濕的最大缺點是這些固體吸附劑再生困難，而且吸濕除濕裝置一般都很復雜，設備的體積比較龐大，造價也高，這些原因使它們的應用受到了一定的限制。液體吸濕劑除濕是利用某些具有吸濕性的溶液來吸收空氣中的水分而達到除濕目的。液體除濕再生容易，缺點是處理空氣與液體吸濕劑直接接觸，易引起空氣夾帶吸濕劑，進一步引起管道和設備的腐蝕。
空氣的全熱回收實際上是新風的全熱回收，即在新風風道與室內排風風道之間安裝一全熱交換器，夏天室外新風往往濕且熱，而室內排風干且涼，新風與排風在全熱交換器內交換熱量與水分后，新風能達到接近于室內空氣的狀態(tài)，節(jié)約了新風除濕制冷所需負荷；冬天新風干且冷，而室內排風暖且濕潤，經(jīng)過全熱交換器后，新風變暖變濕，也達到接近于室內空氣的狀態(tài)，節(jié)約加熱加濕耗能，同樣節(jié)約新風負荷。由于新風負荷要占到空調負荷的20％～40％，所以使用新風全熱回收對建筑節(jié)能的意義是非常重大的。有研究表明，采用新風全熱回收加冷卻吊頂系統(tǒng)，比傳統(tǒng)全空氣空調系統(tǒng)全年節(jié)約一次能源20％以上。簡單的傳統(tǒng)風機盤管系統(tǒng)加上全熱回收器后，也能節(jié)能9％。
傳統(tǒng)的空氣全熱回收方法包括金屬壁換熱器、熱管、熱回收轉輪等。其中金屬壁換熱器和熱管只能回收顯熱，不能回收潛熱，雖然技術比較成熟，但能量回收能力有限，目前全熱回收技術國際上采用的是全熱轉輪，也有人嘗試采用以紙為交換媒介的換熱器。這兩種技術的優(yōu)點是可以同時回收顯熱和一部分潛熱，提高了回收效率，但是，轉輪造價很高，且含有運動部件，可靠性差，新風和排風容易相互摻雜，而采用紙為媒介的熱濕回收器不僅回收效率低，而且容易發(fā)生新風和排風之間的混合和泄漏，更為致命的是在冬天運行時，凝結水對紙具有破壞性，這些缺點都限制了它們的發(fā)展。
隨著膜技術的發(fā)展，利用膜進行空氣除濕與熱濕回收的技術也日漸引起人們的重視。用于空氣除濕與熱濕回收的膜一般是親水性膜，膜的種類可以是有機膜、無機膜和液膜。
2003年5月22日公告的專利號為WO03041844的美國專利說明書提出采用透濕膜對空氣進行除濕，這種透濕膜具有很高的選擇透過性，當含有水蒸汽的空氣以對流或逆流的方式通過該蒸汽膜時，水蒸汽將會透過該膜，實現(xiàn)除濕。1999年4月6日公告的專利號為JP11090194的日本專利說明書提出采用聚醚酰亞胺膜對空氣進行除濕，該聚醚酰亞胺除濕膜是一種中空纖維膜，該中空纖維膜是由聚醚、酰亞胺-聚醚酰亞胺、酰亞胺混合而成，該膜的內表面涂上一層聚乙烯吡咯烷酮或涂一層保濕劑，該膜能夠有效地抑制空穴的形成，并且能夠提高耐久力，1997年1月15日公告的CN2245205Y的中國實用新型專利說明書提出采用熱交換薄膜換熱器進行空氣的除濕與熱回收，熱交換薄膜的材料可采用金屬或非金屬材料(如塑料薄膜)，但這種換熱器只能回收顯熱部分，不能進行全熱回收。
現(xiàn)有膜的缺點是難以同時滿足高透濕量與阻擋其它氣體分子透過之間的矛盾。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺陷與不足，提供一種用于實現(xiàn)空氣除濕與空調全熱回收的親水—憎水雙極復合膜，能實現(xiàn)空氣高透濕、高機械強度，對其它氣體分子有強阻擋作用。
本發(fā)明的另一目的在于提供該親水—憎水雙極復合膜的制備方法。
本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜具有雙層結構，底層為多孔支撐體層，上層為超薄皮層；所述多孔支撐體層是憎水膜(非極性膜)，超薄皮層是親水膜(極性膜)；所述多孔支撐體層的厚度為30～100μm，超薄皮層的厚度為5～20μm。
所述多孔支撐體層為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等中任意一種。
所述超薄皮層主要成分為聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、聚三醋酸纖維、聚甲基丙烯酸甲酯等中任意一種，為強化皮層極性，超薄皮層中可摻雜有占主要成分質量1％～5％的LiCl。
多孔支撐體層是憎水性膜，起增強強度作用，同時避免水分子在其中微孔中凝結，從而降低水蒸汽透過阻力；超薄皮層是致密親水性膜，呈強極性，具有強吸濕能力，能使水分子選擇性透過，而阻止其它氣體分子透過。
本發(fā)明的親水—憎水雙極膜針對不同的親水活性層有四種制備方法。
選擇聚乙烯醇為親水膜主要成分，其步驟如下第一步將2～15g聚乙烯醇和其質量1％～5％的氯化鋰用100～150g去離子水在90℃～100℃下攪拌1～2小時，配制成聚乙烯醇溶液，將上述溶液靜置1～3天，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在空氣中自然干燥1～2天；所述憎水膜為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等；第三步配置交聯(lián)劑水溶液，其中羥基丁二酸質量濃度1～3％，乙酸質量濃度3～5％，將上述復合膜浸泡在交聯(lián)劑水溶液中20～30秒，撈起、涼干，隨后立即轉移到70～100℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成。
選擇聚丙烯酸鈉為親水膜主要成分，其步驟如下第一步將2～15g聚丙烯酸鈉和其質量1％～5％的氯化鋰用100～200g去離子水在90℃～100℃下攪拌1～2小時，再加入1～3滴甘油和0.1～0.3g過硫酸鉀和0.01～0.03g苯二鉀酸，在70℃～90℃下攪拌1～2小時，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在70～100℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成；
所述憎水膜為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。
選擇聚三醋酸纖維為親水膜主要成分，其步驟如下第一步將2～10g聚三醋酸纖維和其質量1％～5％的氯化鋰用100～150g丙酮在60℃～70℃下攪拌1～2小時，再加入0.1g～0.3g二氧六環(huán)和0.1g～0.2g馬來酸，攪拌，配制成溶液，將上述溶液靜置1～2天，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜立即轉移到50～70℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成；所述憎水膜為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。
選擇聚甲基丙烯酸甲酯為親水膜主要成分，其步驟如下第一步將2～10g聚甲基丙烯酸甲酯和其質量1％～5％的氯化鋰用80～120g二甲亞砜溶解，在90℃～100℃下攪拌1～2小時，再加入30～50g蒸餾水在90℃～100℃下攪拌1～2小時配制成溶液，將上述溶液靜置1～3天，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在70～100℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成；所述憎水膜為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜由于水蒸汽分子在其憎水性多孔支撐體層微孔里面不會凝結，降低了水分擴散阻力，保持了很高的透濕量；親水皮層可以做得很薄，在保證阻擋其它氣體的情況下，保持很高的水蒸汽滲透速度；(2)本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜集高強度、高透濕量、高選擇性于一體，對該復合膜的測試表明，同樣實驗條件下，該復合膜的水蒸氣交換效率(新、排風之間)比同等厚度的單層固體親水膜高50％～200％；(3)本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜的皮層超薄，可以達到5μm厚度；(4)本發(fā)明親水—憎水雙極復合膜的制備方法簡單、易操作，設備投資少，不同層間粘合力強、成膜性好。


圖1是本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜的結構示意圖；圖2是圖1所示的親水—憎水雙極復合膜的除濕工藝流程圖；圖3是含有親水—憎水雙極復合膜的熱濕回收全熱交換器。
圖中1-多孔支撐體層2-超薄皮層3-親水—憎水雙極復合膜4-空氣壓縮機5-復合膜組件具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步地描述。
如圖1所示，本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜具有雙層結構，底層為多孔支撐體層1，上層為超薄皮層2；多孔支撐體層1是憎水膜(非極性膜)，超薄皮層2是親水膜(極性膜)；所述多孔支撐體層1的厚度為30～100μm，超薄皮層2的厚度為5～20μm。
多孔支撐體層1為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等中任意一種；超薄皮層2主要成分為聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、聚三醋酸纖維、聚甲基丙烯酸甲酯等中任意一種，為強化皮層極性，超薄皮層2中可摻雜有占主要成分質量1％～5％的LiCl。
如圖2所示，本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜的除濕工藝流程原料氣進入空氣壓縮機4進行壓縮，壓縮后的原料氣再進入復合膜組件5；在復合膜組件5里，原料氣中的水蒸汽透過親水—憎水雙極復合膜3后，水蒸氣和除濕氣分別由復合膜組件5的上方和下方排出。
如圖3所示，室外新風及室內排風進入含有親水—憎水雙極復合膜的熱濕回收全熱交換器，室外新風與室內排風進行熱量與水分的交換，交換后再分別進入室內和排到室外。
利用該親水—憎水雙極復合膜對空氣進行除濕與熱濕回收時，可實現(xiàn)除濕效率90％以上，顯熱回收效率0.9以上，潛熱回收效率0.85以上。
本發(fā)明的親水—憎水雙極膜針對不同的親水活性層制備方法如下。
一、選擇聚乙烯醇為親水膜主要成分實施例1將4g聚乙烯醇和0.12g氯化鋰用120g去離子水在90℃下攪拌1小時，配制成聚乙烯醇溶液，將上述溶液靜置1天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在100μm聚偏氟乙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在空氣中自然干燥1天；配置交聯(lián)劑水溶液，其中羥基丁二酸質量濃度1％，乙酸質量濃度3％，將上述復合膜浸泡在交聯(lián)劑水溶液中20秒，撈起、涼干，隨后立即轉移到70℃的烘箱中，烘30min，制備完成。
實施例2將2g聚乙烯醇和0.10g氯化鋰用100g去離子水在95℃下攪拌1.5小時，配制成聚乙烯醇溶液，將上述溶液靜置2天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在30μm聚乙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在空氣中自然干燥1.5天；配置交聯(lián)劑水溶液，其中羥基丁二酸質量濃度2％，乙酸質量濃度4％，將上述復合膜浸泡在交聯(lián)劑水溶液中25秒，撈起、涼干，隨后立即轉移到80℃的烘箱中，烘40min，制備完成。
實施例3將15g聚乙烯醇和0.15g氯化鋰用150g去離子水在100℃下攪拌2小時，配制成聚乙烯醇溶液，將上述溶液靜置3天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在70μm聚丙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在空氣中自然干燥2天；配置交聯(lián)劑水溶液，其中羥基丁二酸質量濃度3％，乙酸質量濃度5％，將上述復合膜浸泡在交聯(lián)劑水溶液中30秒，撈起、涼干，隨后立即轉移到100℃的烘箱中，烘50min，制備完成。
二、選擇聚丙烯酸鈉為親水膜主要成分實施例4將15g聚丙烯酸鈉和0.15g氯化鋰用200g去離子水在100℃下攪拌2小時，再加入3滴甘油和0.1g過硫酸鉀和0.01g苯二鉀酸，在70℃下攪拌1小時，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在50μm厚度聚丙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在70℃的烘箱中，烘50min，制備完成。
實施例5將2g聚丙烯酸鈉和0.06g氯化鋰用100g去離子水在90℃下攪拌1小時，再加入1滴甘油和0.2g過硫酸鉀和0.02g苯二鉀酸，在80℃下攪拌2小時，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在30μm厚度聚氯乙稀膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在100℃的烘箱中，烘30min，制備完成。
實施例6將10g聚丙烯酸鈉和0.50g氯化鋰用160g去離子水在95℃下攪拌1.5小時，再加入2滴甘油和0.3g過硫酸鉀和0.03g苯二鉀酸，在90℃下攪拌1.5小時，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在100μm厚度聚砜膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在80℃的烘箱中，烘40min，制備完成。
三、選擇聚三醋酸纖維為親水膜主要成分實施例7將2g聚三醋酸纖維和0.08g氯化鋰用100g丙酮在60℃下攪拌1小時，再加入0.1g二氧六環(huán)和0.1g馬來酸，攪拌，配制成溶液；將上述溶液靜置1天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在100μm聚砜膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜立即轉移到50℃的烘箱中，烘30min，制備完成。
實施例8將5g聚三醋酸纖維和0.25g氯化鋰用120g丙酮在65℃下攪拌1.5小時，再加入0.2g二氧六環(huán)和0.15g馬來酸，攪拌，配制成溶液；將上述溶液靜置1.5天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在30μm聚氯乙稀膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜立即轉移到60℃的烘箱中，烘40min，制備完成。
實施例9將10g聚三醋酸纖維和0.10g氯化鋰用150g丙酮在70℃下攪拌2小時，再加入0.3g二氧六環(huán)和0.2g馬來酸，攪拌，配制成溶液；將上述溶液靜置2天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在60μm聚偏氟乙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜立即轉移到70℃的烘箱中，烘50min，制備完成。
四、選擇聚甲基丙烯酸甲酯為親水膜主要成分實施例10將5g聚甲基丙烯酸甲酯和0.15g氯化鋰用100g二甲亞砜溶解，在90℃下攪拌1小時，再加入40g蒸餾水在95℃下攪拌1.5小時配制成溶液，將上述溶液靜置2天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在80μm聚氯乙稀膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在80℃的烘箱中，烘40min，制備完成。
實施例11將10g聚甲基丙烯酸甲酯和0.10g氯化鋰用120g二甲亞砜溶解，在100℃下攪拌2小時，再加入50g蒸餾水在100℃下攪拌2小時配制成溶液，將上述溶液靜置3天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在100μm聚乙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在100℃的烘箱中，烘50min，制備完成。
實施例12將2g聚甲基丙烯酸甲酯和0.10g氯化鋰用80g二甲亞砜溶解，在95℃下攪拌1.5小時，再加入30g蒸餾水在90℃下攪拌1小時配制成溶液，將上述溶液靜置1天，形成鑄膜液；將上述鑄膜液傾倒在30μm聚丙烯膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在70℃的烘箱中，烘30min，制備完成。
本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜由于水蒸汽分子在其憎水性多孔支撐體層微孔里面不會凝結，降低了水分擴散阻力，保持了很高的透濕量；親水皮層可以做得很薄，在保證阻擋其它氣體的情況下，保持很高的水蒸汽滲透速度，集高強度、高透濕量、高選擇性于一體。對本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜的測試表明，同樣實驗條件下，該復合膜的水蒸氣交換效率(新、排風之間)比同等厚度的單層固體親水膜高50％～200％。本發(fā)明的雙極復合膜具有良好的透過性和氣體選擇性，有較高的強度，可廣泛用于水處理技術，空調工程、能源、化工、冶金，生化工程等領域，特別適合于空氣除濕和空調新風全熱回收。
權利要求
1.一種親水—憎水雙極復合膜，具有雙層結構，其特征在于底層為多孔支撐體層(1)，上層為超薄皮層(2)；所述多孔支撐體層(1)是憎水膜，超薄皮層(2)是親水膜；所述多孔支撐體層(1)的厚度為30～100μm，超薄皮層(2)的厚度為5～20μm。
2.根據(jù)權利要求1所述的親水—憎水雙極復合膜，其特征在于所述多孔支撐體層(1)為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯中任意一種。
3.根據(jù)權利要求2所述的親水—憎水雙極復合膜，其特征在于所述超薄皮層(2)主要成分為聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、聚三醋酸纖維、聚甲基丙烯酸甲酯中任意一種，超薄皮層(2)中LiCl的含量占主要成分質量的1％～5％。
4.權利要求3中以聚乙烯醇為親水膜主要成分的親水—憎水雙極復合膜的制備方法，其特征在于步驟如下第一步將2～15g聚乙烯醇和其質量1％～5％的氯化鋰用100～150g去離子水在90℃～100℃下攪拌1～2小時，配制成聚乙烯醇溶液，將上述溶液靜置1～3天，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在空氣中自然干燥1～2天；第三步配置交聯(lián)劑水溶液，其中羥基丁二酸質量濃度1～3％，乙酸質量濃度3～5％，將上述復合膜浸泡在交聯(lián)劑水溶液中20～30秒，撈起、涼干，隨后立即轉移到70～100℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成。
5.權利要求3中以聚丙烯酸鈉為親水膜主要成分的親水—憎水雙極復合膜的制備方法，其特征在于步驟如下第一步將2～15g聚丙烯酸鈉和其質量1％～5％的氯化鋰用100～200g去離子水在90℃～100℃下攪拌1～2小時，再加入1～3滴甘油和0.1～0.3g過硫酸鉀和0.01～0.03g苯二鉀酸，在70℃～90℃下攪拌1～2小時，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在70～100℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成。
6.權利要求3中以聚三醋酸纖維為親水膜主要成分的親水—憎水雙極復合膜的制備方法，其特征在于步驟如下第一步將2～10g聚三醋酸纖維和其質量1％～5％的氯化鋰用100～150g丙酮在60℃～70℃下攪拌1～2小時，再加入0.1g～0.3g二氧六環(huán)和0.1g～0.2g馬來酸，攪拌，配制成溶液，將上述溶液靜置1～2天，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜立即轉移到50～70℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成。
7.權利要求3中以聚甲基丙烯酸甲酯為親水膜主要成分的親水—憎水雙極復合膜的制備方法，其特征在于步驟如下第一步將2～10g聚甲基丙烯酸甲酯和其質量1％～5％的氯化鋰用80～120g二甲亞砜溶解，在90℃～100℃下攪拌1～2小時，再加入30～50g蒸餾水在90℃～100℃下攪拌1～2小時配制成溶液，將上述溶液靜置1～3天，形成鑄膜液；第二步將上述鑄膜液傾倒在30～100μm厚度的憎水膜上，涂勻，將上述已涂好的復合膜在70～100℃的烘箱中，烘30～50min，制備完成。
8.權利要求4～7任意一項所述的親水—憎水雙極復合膜的制備方法，其特征在于所述憎水膜為聚偏氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯任意一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種親水—憎水雙極復合膜及其制備方法。本發(fā)明的親水—憎水雙極復合膜具有雙層結構，底層為多孔支撐體層，上層為超薄皮層；多孔支撐體層是憎水膜，是非極性膜，避免水蒸汽凝結；超薄皮層是親水膜，是極性膜，為增加極性，可摻雜占主要成分質量1％～5％的LiCl，使其具有強極性吸水能力；多孔支撐體層的厚度為30～100μm，超薄皮層的厚度為5～20μm。本發(fā)明制備方法采用涂敷法，工藝簡單，設備成本低。本發(fā)明所制得的雙極復合膜具有良好的透過性和氣體選擇性，有較高的強度，可廣泛用于水處理技術，空調工程、能源、化工、冶金，生化工程等領域，特別適合于空氣除濕和空調新風全熱回收。
文檔編號B01D53/26GK1864829SQ200610034769
公開日2006年11月22日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權日2006年3月31日
發(fā)明者張立志 申請人:華南理工大學