具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料及制備工藝，其特征為采用3D網(wǎng)布作為中間流道層，其兩個端面分別與無紡布層或者無紡布復合膜層進行復合，其粘結(jié)層采用電紡或者熔噴技術形成，然后采用熱壓合或者超聲波壓合，最后制備出一種具有立體流導結(jié)構(gòu)的薄層過濾材料?？梢宰鰹樗幚?、生物醫(yī)藥分離用的過濾材料，或者進一步在表面通過相轉(zhuǎn)化法成膜，用于膜生物反應器中的分離膜等。
【專利說明】具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可用于過濾的薄層復合結(jié)構(gòu)材料，可以做為水處理、生物醫(yī)藥分離用的過濾材料，或者進一步在表面通過相轉(zhuǎn)化法成膜，用于膜生物反應器中的分離膜等。本發(fā)明主要涉及薄層支撐層的選擇以及其與外層的無紡布結(jié)構(gòu)的粘結(jié)工藝。
[0002]【背景技術】平板膜組件是膜生物反應器應用中的一種重要結(jié)構(gòu)，平板膜元件具有單位膜面積產(chǎn)量大，操作方便，膜的維護，化學清洗和更換比較容易(許振良，膜法水處理技術.北京，化學工業(yè)出版社，2001)。平板膜組件主要采用板框式結(jié)構(gòu)，組件采用按膜、粗網(wǎng)支撐材料、支撐板、粗網(wǎng)支撐材料、膜的順序交替組裝在一起制成。其主要缺點在于由于支撐板很重，用量大增加成本，同時支撐板的厚度影響了膜組件的薄化。
[0003]許多研究用來優(yōu)化膜組件的結(jié)構(gòu)。CN101721917A提出一種新型平板式膜元件，其支撐層采用網(wǎng)孔板，利用網(wǎng)孔板形成中空內(nèi)腔作為流通通道，減輕了支撐板的重量。CN101371971A提出一種由5層材料組成的過濾膜包，其支撐層為過濾支撐網(wǎng)格。上述結(jié)構(gòu)對支撐層進行了部分改進，但是仍然沒有解決上述問題。
[0004]CN102006917A提出一種間隔織物作為支撐層然后通過粘結(jié)層與過濾膜結(jié)合。間隔織物較薄，把過濾膜與支撐層直接粘結(jié)在一起形成較薄的一體式結(jié)構(gòu)，同時選擇的支撐層為柔性結(jié)構(gòu)，可以方便的連續(xù)加工。但是對于間隔織物的形態(tài)結(jié)構(gòu)沒有做出說明和要求。
[0005]Desalination 250 (2010) 1078 - 1082，提出采用一種獨特的空間織物，通過編織的方法使表面層之間連接起來，中間形成通道結(jié)構(gòu)，無須通過粘結(jié)工藝將支撐層與表面層粘結(jié)起來。進一步在織物兩邊直接涂敷成膜。但是常規(guī)的空間織物由于表面上的孔洞很大，無法涂覆成膜。對于這種所需的特殊結(jié)構(gòu)的空間織物，目前國內(nèi)市場上沒有相應產(chǎn)品，缺乏可操作性。
[0006]本發(fā)明的目的是在上述技術的基礎上，利用現(xiàn)有工業(yè)技術，可以獲得的原材料為基礎，通過合適的工藝結(jié)合形成制備使用性能的過濾及分離膜產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于制備一種具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料及其制備方法，可以有效的降低過濾元件的厚度的同時保持過濾元件內(nèi)部良好的過濾通道結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明涉及的一種具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料，采用3維支撐網(wǎng)布作為流道層，其兩個端面分別與無紡布層或者無紡布復合膜層進行復合，形成的一種具有立體流道結(jié)構(gòu)的薄層過濾材料。
[0009]其工藝過程為選擇具有高強及內(nèi)部互通結(jié)構(gòu)的3D織物，進一步與無紡布層或者無紡布復合膜層進行粘合，形成具有復合支撐結(jié)構(gòu)的過濾材料。對于表面復合無紡布層的過濾材料其表面可以通過采用相轉(zhuǎn)化法涂膜制備出具有超薄結(jié)構(gòu)的膜元件。
[0010]3D織物的選擇是個關鍵問題。不同結(jié)構(gòu)的3D織物會導致性能重大的差異。3D織物屬于間隔織物中的一種。間隔織物類別很多:按照織造方式的不同，間隔織物可以分為針織和機織兩種結(jié)構(gòu)類型，針織間隔織物包括經(jīng)編和緯編兩種結(jié)構(gòu)。經(jīng)編間隔織物主要在拉舍爾雙針床經(jīng)編機上生產(chǎn)，間隔大小由針床間距調(diào)節(jié)得到。不同結(jié)構(gòu)方法制備的織物性能有很大的差別。如針織間隔物是通過橫穿前后針床織物的連接紗線或線圈在前后針床上轉(zhuǎn)移而得到間隔效果的，效率低、成本高、強力低。本發(fā)明選擇經(jīng)編的間隔織物。
[0011]經(jīng)編的3D織物，上下兩層可以采用不同角度的紗線層連接，根據(jù)上下面層的柱紗連接方式，可以分為“V”字形、“X”字形和“8”字形，“I”字形等機織間隔織物。本發(fā)明中3D織物選擇“8”字形連接方式。這是由于過濾過程中經(jīng)常承壓，要保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止上下兩層發(fā)生劇烈滑移和變型，“8”字形連接有助于最大限度優(yōu)化改善織物的拉伸、抗壓、抗沖擊等性能。
[0012]本發(fā)明所述經(jīng)編的3D織物的上下層結(jié)構(gòu)具有對稱結(jié)構(gòu)，優(yōu)選高表面孔，大花型的網(wǎng)布結(jié)構(gòu),其總厚度在1.5_5mm之間。優(yōu)選2_3mm,
本發(fā)明所述的3D織物的原料選擇可以包括滌綸、錦綸、尼龍、棉質(zhì)、人造絲、超細纖維、低彈絲等。本專利優(yōu)選滌綸纖維，其纖維選擇50-1000旦之間。優(yōu)選50-200旦之間，太粗的纖維會影響織物的厚度和強度。
[0013]本專利所涉及3D織物，也可以稱為3D網(wǎng)布。網(wǎng)布的克重:100-1000(g/ m2)之間，優(yōu)選100-500 g/rrf的產(chǎn)品
在本例專利中3D網(wǎng)布與表面無紡布之間的粘結(jié)過程是需要解決的另外一個重要問題。至于其中表面無紡布層的選擇，是一個眾所周知的問題，可以選擇用于平板膜的支撐的任何類型的無紡布結(jié)構(gòu)，此處不額外敘述。
[0014]粘結(jié)工藝可以采用熱壓或者超生波粘結(jié)的方法。但是如何涂膠來避免粘結(jié)劑對表面無紡布的孔道形成堵塞，以及涂膠后由于膠滲入到3D網(wǎng)布內(nèi)部導致網(wǎng)布內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘結(jié)而變形，從而影響其平整性和內(nèi)部流道的完整性。這是本專利需要解決的問題。
[0015]常規(guī)的涂敷方法，包括噴涂，溶劑浸涂等，粘結(jié)劑很容易滲到到網(wǎng)布的內(nèi)部。很難避免粘結(jié)劑在表面上形成堆積，最優(yōu)的方法是在表層形成一層多孔道結(jié)構(gòu)的超薄粘結(jié)層。CN102006917A提出選擇的粘結(jié)層為薄膜結(jié)構(gòu)開孔形成，采用擠出成型制備，在表面開孔，要求粘接網(wǎng)的網(wǎng)孔密度為200000個/m2至300000個/ m2，但是擠出成型獲得超多孔的表面制備過程非常困難。為此本專利提出采用電紡(electrospinning)技術或者熔噴技術制備一層多孔纖維層結(jié)構(gòu)，將其作為粘結(jié)層，然后采用熱壓或者超生波把3D網(wǎng)布與無紡布層粘結(jié)在一起。
[0016]電紡又稱靜電紡絲(electrostatic spinning)，是一種利用聚合物溶液或熔體在強電場作用下形成噴射流進行紡絲加工的工藝。其原理是在電紡絲過程中，在外加電場作用下，噴嘴處的聚合物溶液或熔融液的表面聚集電荷，形成與表面張力方向相反的電場力。當電場逐漸增強時，噴嘴處的液滴由球狀被拉長為錐狀，形成所謂的泰勒錐(Taylorcone)。而當電場強度增加至一個臨界值時，電場力就會克服液體的表面張力，從泰勒錐中噴出。噴射流在空中被迅速拉細，溶劑也迅速揮發(fā)，最終形成直徑在納米級的纖維，并以隨機的方式散落在收集裝置上，形成無紡布。其具有很高的表面孔隙率。適合用于粘結(jié)層。
[0017]電紡對于聚合物溶液以及聚合物熔體均可以實施。電紡制備的纖維布結(jié)構(gòu)具有超高表面孔隙率，以及超薄的厚度層。如聚氨酯、EVA類別的，將其溶解形成一定的濃度，然后采用電紡工藝，采用電紡可以在支撐表面形成一層交聯(lián)劑，然后把3D網(wǎng)布與無紡布結(jié)合在一起，形成完整的結(jié)構(gòu)。
[0018]除了電紡外，熔噴也是制備粘結(jié)層的一個有效方法，熔噴工藝用于無紡布的制備。無紡布本身具備熔噴工藝常用的聚合物切片原料有聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、PBT、EMA、EVA、聚氨基甲酸酯等。選擇合適的聚合物進行熔噴可以獲得所需要求的粘結(jié)層。如EMA、EVA都有良好的粘結(jié)性能，可以采用熔噴工藝制成無紡布之后，能很好的用于層層材料之間的粘結(jié)。
[0019]上述兩種方法的主要區(qū)別在于紡出纖維的直徑的差別，電紡可以獲得更細的纖維，但是相對速度較慢，而熔噴可以獲得略粗的纖維，相對速度較快。因此本發(fā)明對于上述方法制備的粘膠層均可以采用，只要要求控制紡出的纖維層厚度在1-200微米之間，優(yōu)選20-50微米之間，太薄的纖維層導致粘結(jié)牢度不夠，而太厚的粘結(jié)層導致成本增加，同時纖維層中的孔隙率下降，導致易堵塞孔道。對于膠粘劑的選擇，沒有特殊要求，但是由于大部分過濾場合涉及到水體系，要求選擇耐水的粘合材料，如聚氨酯，EVA, EMA，低分子量或者低熔點的聚酯等體系的粘合劑，或者單組分的環(huán)氧樹脂系列的粘合劑等。
[0020]作為與3D網(wǎng)布結(jié)合的表面層結(jié)構(gòu)可以選擇無紡布粘結(jié)后，可以進一步通過相分離成膜技術在表面形成一層薄膜。也可以直接選擇無紡布支撐膜，如表面為PTFE的無紡布膜，然后與3D網(wǎng)布進行熱粘合處理。
[0021 ] 對表面粘結(jié)的無紡布形成的過濾材料，可以采用相分離的方法，制備不同結(jié)構(gòu)的聚合物膜，如聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚醚酰亞胺、醋酸纖維素、再生纖維素、聚烯烴或含氟聚合物等制成。其制備方法可以廣泛的查閱到，這里不詳述。
[0022]壓合后的復合結(jié)構(gòu)的過濾材料可以進一步進行各種處理形成所需的結(jié)構(gòu)。如可以把立體結(jié)構(gòu)復合膜制出一個或多個排出開口，其余部分進行封閉。如機械切割工具或激光切開并，然后將排出管道引導到支撐層中形成排水結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以用于膜生物反應器中。
[0023]上述復合結(jié)構(gòu)的過濾材料的邊緣密封借助己知的方法，用絲線機器縫合后或者直接通過熱焊接或超聲焊接直接把把邊緣焊接成一體，也可以用膠粘把邊緣進行密封。
[0024]由此獲得的扁平過濾元件在與過濾和反沖洗的工作階段相對應的壓力交變負載時不被損壞地承受得住大于0.2的內(nèi)壓力。可以用于目前大部分應用場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1，三維的網(wǎng)布斷面結(jié)構(gòu)放大圖。
[0026]其中，b—網(wǎng)布的厚度。
【具體實施方式】
[0027]以下提供本發(fā)明具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料及其制備方法的【具體實施方式】。
[0028]實施例1:選擇采用經(jīng)編的3D網(wǎng)布，材質(zhì)為PET長纖，其表面花形為6邊形，厚度為2.5mm,重量為400克/平方米。無紡布結(jié)構(gòu)為PET材質(zhì)，厚度0.2mm, 60克/平方米。采用電紡設備在無紡布表面電紡一層20微米厚度的聚氨酯膠，然后在熱壓機上將三層結(jié)構(gòu)壓合在一起，形成3D復合結(jié)構(gòu)的支撐材料。
[0029]實施例2:選擇采用經(jīng)編的3D網(wǎng)布，材質(zhì)為PET長纖，其表面花形為梅花形，厚度為2.5mm,重量為400克/平方米。無紡布結(jié)構(gòu)為PET材質(zhì)，厚度0.2mm, 60克/平方米。采用熔噴技術在無紡布采用噴射一層20微米厚度的EMA膠層，然后在熱壓機上將三層結(jié)構(gòu)壓合在一起，形成3D復合結(jié)構(gòu)的支撐材料。
[0030]目前間隔織物的種類很多，目前生產(chǎn)較多的是經(jīng)編間隔織物機織間隔織物的織造主要是在劍桿織機上實現(xiàn)的。針織間隔織物面層是由紗線在兩排針床上形成線圈，相互嵌套而成，而機織間隔織物上下面層是由經(jīng)緯方向的紗線相互交織而成，柱紗貫穿上下面層，同面層緯紗交織，將上下面層連接成一個整體。兩者在性能上有較大差異。
[0031 ] 所用的織機對送經(jīng)裝置
此外上下面層的連接可以采用不同的柱紗方式，可以設計出具有不同截面結(jié)構(gòu)的機織間隔織物。包括“V”字形、“X”字形和“8〃字形，
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料，其特征在于:采用3D網(wǎng)布作為中間流道層，其兩個端面分別與無紡布層或者無紡布復合膜層進行復合，所述3D網(wǎng)布厚度在2-5_，上下面層的柱紗采用“8”連接；克重在200-1000克/平方米，平方米；表面孔密度大于70%的3D編織網(wǎng)布。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料，其特征在于:中間層3D網(wǎng)布與兩端無紡布的粘結(jié)采用電紡纖維層作為粘結(jié)層，電紡層的厚度在0.01-0.4mm之間，然后采用熱壓合，或者超聲波壓合，形成薄層復合過濾材料。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料，其特征在于:所述粘結(jié)層材料包括聚氨酯、熱熔膠EVA，EMA，低熔點聚酯。
4.一種制備權利要求1所述的具有3維結(jié)構(gòu)的薄層復合過濾材料的方法，其特征在于:中間層3D網(wǎng)布與兩端無紡布的粘結(jié)層采用熔噴工藝制備,通過融噴形成一層0.01-0.4mm厚度的粘膠層；然后采用熱壓合或者超聲波壓合，形成薄層復合過濾材料。
【文檔編號】B01D39/14GK103877786SQ201410098608
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權日:2014年3月18日
【發(fā)明者】楊虎, 許振良, 魏永明, 馬曉華, 陳桂娥, 李祥慶 申請人:楊虎, 許振良, 李祥慶