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一种防污自洁聚偏氟乙烯膜的制备方法及其制品.pdf

  • 上传人:刘**
  • 文档编号:9052244
  • 上传时间:2021-02-02
  • 格式:PDF
  • 页数:9
  • 大小:2.61MB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN200910070412.1

    申请日:

    20090911

    公开号:

    CN101649065B

    公开日:

    20120208

    当前法律状态:

    有效性:

    失效

    法律详情:

    IPC分类号:

    C08J7/12,C08J7/16,C08J5/18,C08L27/16

    主分类号:

    C08J7/12,C08J7/16,C08J5/18,C08L27/16

    申请人:

    天津工业大学

    发明人:

    郑振荣,霍瑞亭,杨文芳,牛家嵘,田俊莹,顾振亚

    地址:

    300160 天津市河东区成林道63号

    优先权:

    CN200910070412A

    专利代理机构:

    天津翰林知识产权代理事务所(普通合伙)

    代理人:

    张国荣

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    内容摘要

    本发明涉及一种防污自洁聚偏氟乙烯膜的制备方法及其制品。该制备方法包括以下工艺:(1).PVDF膜的制备;(2).碱液处理PVDF膜:包括碱-水溶液处理和碱-醇溶液处理两种工艺:碱-水溶液处理工艺为:将PVDF膜浸渍在质量浓度20-40%的碱-水溶液中,在60-80℃下处理2-3h后,取出水洗,烘干后即得;碱-醇溶液处理工艺为:先将PVDF膜浸渍在质量浓度2-10%的碱-醇溶液中,在25-40℃下处理3-5min后,取出膜,水洗,烘干;再将PVDF膜浸泡在适当溶液中25-60℃下反应3-10min,然后取出,充分水洗,烘干后即得;(3).用有机硅烷表面修饰PVDF膜,即制得防污自洁聚偏氟乙烯膜。该防污自洁PVDF膜制品由本发明所述制备方法制得。

    权利要求书

    1.一种防污自洁聚偏氟乙烯膜的制备方法,该制备方法包括以下工艺:(1).PVDF膜的制备:将PVDF粉体溶解于丙酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺溶剂中,配制成质量分数为5-10%的PVDF溶液,50-70℃下恒温搅拌1-2h,静置脱泡30min,涂膜,在90-180℃条件下烘干,即得到PVDF膜;(2).碱液处理PVDF膜:包括碱-水溶液处理和碱-醇溶液处理两种工艺:碱-水溶液处理工艺为:将PVDF膜浸渍在质量浓度20-40%的碱-水溶液中,在60-80℃下处理2-3h后,取出水洗,烘干后即得;所述碱-水溶液为NaOH-水溶液、LiOH-水溶液或KOH-水溶液;碱-醇溶液处理工艺为:先将PVDF膜浸渍在质量浓度2-10%的碱-醇溶液中,在25-40℃下处理3-5min后,取出膜,水洗,烘干;再将PVDF膜浸泡在适当溶液中25-60℃下反应3-10min,然后取出,充分水洗,烘干后即得;所述碱-醇溶液为NaOH-醇溶液、LiOH-醇溶液或KOH-醇溶液;所述适当溶液是指质量浓度(4-8%)KMnO/(20-30%)KOH-水溶液,或者是质量浓度98%的HSO溶液;(3).PVDF膜表面修饰:先将有机硅烷溶解于有机溶剂中,制成体积浓度为1/10-1/3的有机硅烷溶液,放在相对湿度为60-80%的密闭容器中待用;所述有机硅烷为甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷和氟代烷基硅烷中的至少一种;所述有机溶剂为苯、甲苯、乙醚、二乙烯醚或环氧乙烷;再将第(2)步经碱液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的有机硅烷溶液里,表面处理20-30min;处理后的PVDF膜在常温下先用所述溶解有机硅烷的有机溶剂洗涤一次,再分别用乙醇和体积比1∶1的乙醇-水溶液充分洗涤,然后在100-120℃下烘干,即制得所述的防污自洁PVDF膜。

    说明书

    技术领域

    本发明涉及一种有机膜制备技术,具体为一种防污自洁聚偏氟乙烯 (PVDF)膜的制备方法及其制品。

    背景技术

    聚偏氟乙烯(PVDF)是一种高分子量的半结晶有机氟聚合物,在特定的 情况下,能形成微球。PVDF分子结构中只具有反方向的C-F键和C-H 键,因此PVDF膜具有较高的化学惰性和优良的耐候性,如可抵抗紫外线引 起的降解和大气中化学物质的损伤,还可抵抗海藻类菌和真菌的侵蚀。含氟 类材料由于C-F键的极化率小、键距短,因此PVDF分子的凝聚力小,表面 自由能低,各种液体都很难在其表面附着。由于PVDF具有如此优异的性能, 常用作建筑膜结构材料、玻璃和纺织品等基材的表层,以增加基材的耐候性。

    荷叶具有出淤泥而不染的美称。水在荷叶表面会自动聚集成自由滚动的 水珠,水珠的滚动可以带走表面尘土,使荷叶表面始终保持干净,德国科学 家Barthlott教授将荷叶的这种防污自洁现象命名为“荷叶效应”。若能将荷 叶效应应用到含有PVDF涂层的基材上,则基材在使用过程中仅依靠雨水冲 刷就能保持自洁,不仅可以使基材美观、保持良好的透光性能,而且大大节 省了人们对基材表面的清洗和维护,这将会在环境保护与能源节约方面带来 巨大的经济效益和社会效益。目前国内外将荷叶效应应用到PVDF膜上的研 究较少,且多采用添加纳米粒子的方法制备防污自洁表面。但这种方法存在 纳米粒子容易团聚,PVDF膜透光性能降低等问题。

    发明内容

    针对现有技术存在的不足,本发明拟解决的技术问题是,提供一种防污 自洁聚偏氟乙烯膜的制备方法及其制品。该制备方法工艺简单,易于操作, 便于工业化实施,所制得的聚偏氟乙烯膜具有良好的自清洁功能,同时不影 响PVDF膜的透光性。

    本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是:设计一种防污自洁聚 偏氟乙烯膜的制备方法,该制备方法包括以下工艺:

    1.PVDF膜的制备:将PVDF粉体溶解于丙酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙 酰胺溶剂中,配制成质量分数为5-10%的PVDF溶液,50-70℃下恒温搅拌1-2h, 静置脱泡30min,涂膜,在90-180℃条件下烘干,即得到PVDF膜;

    2.碱液处理PVDF膜:包括碱-水溶液处理和碱-醇溶液处理两种工艺:

    碱-水溶液处理工艺为:将PVDF膜浸渍在质量浓度20-40%的碱-水 溶液中,在60-80℃下处理2-3h后,取出水洗,烘干后即得;所述碱-水溶 液为NaOH-水溶液、LiOH-水溶液或KOH-水溶液;

    碱-醇溶液处理工艺为:先将PVDF膜浸渍在质量浓度2-10%的碱-醇 溶液中,在25-40℃下处理3-5min后,取出膜,水洗,烘干;再将PVDF膜 浸泡在适当溶液中25-60℃下反应3-10min,然后取出,充分水洗,烘干后即 得;所述碱-醇溶液为NaOH-醇溶液、LiOH-醇溶液或KOH-醇溶液;所述 适当溶液是指质量浓度(4-8%)KMnO4/(20-30%)KOH-水溶液,或者是质量 浓度98%的H2SO4溶液;

    3.PVDF膜表面修饰:先将有机硅烷溶解于有机溶剂中,制成体积浓度 为1/10-1/3的有机硅烷溶液,放在相对湿度为60-80%的密闭容器中待用; 所述有机硅烷为甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷和氟代烷基 硅烷中的至少一种;所述有机溶剂为苯、甲苯、乙醚、二乙烯醚或环氧乙烷; 再将第2步经碱液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的有机硅烷溶液 里,表面处理20-30min;处理后的PVDF膜在常温下先用所述溶解有机硅烷 的有机溶剂洗涤一次,再分别用乙醇和体积比1∶1的乙醇-水溶液充分洗涤, 然后在100-120℃下烘干,即制得所述的防污自洁PVDF膜。

    本发明解决所述制品技术问题的技术方案是:设计一种防污自洁PVDF膜 制品,该防污自洁PVDF膜制品采用本发明所述的防污自洁PVDF膜制备方法 制成。

    与现有技术相比,本发明制备方法创新性地采用强碱溶液对聚偏氟乙烯 (PVDF)膜表面进行前处理,提高了PVDF膜的接枝性能,再采用有机硅烷溶 液对PVDF膜进行表面修饰,工艺方法简单,易于操作,容易工业实施,所制 备的PVDF膜表面可形成类似于荷叶表面的微米-纳米双重结构,污物在这种 PVDF膜表面的接触面积少,粘附力很低,很容易在雨水冲刷下随水滴滚落, 具有良好的超疏水和防污自洁性能,同时不影响PVDF膜的透光性。

    附图说明

    图1(a)为未经表面修饰的PVDF膜表面与水的接触角照片图;

    图1(b)为未经表面修饰的PVDF膜(图1(a)膜)的防污自洁效果照片 图;

    图2(a)为本发明制备方法一种实施例(实施例1)所得的PVDF膜表面经 NaOH水溶液前处理后,再通过有机硅烷修饰后,与水的接触角照片图;

    图2(b)为本发明制备方法一种实施例所得的PVDF膜(图2(a)膜)表面 的防污自洁效果照片图;

    图3(a)为本发明制备方法一种实施例(实施例2)所得的PVDF膜表面经 KOH-乙醇溶液前处理后,再通过有机硅烷修饰后,与水的接触角照片图;

    图3(b)为本发明制备方法一种实施例所得的PVDF膜(图3(a)膜)表面 的防污自洁效果照片图;

    图4(a)为本发明制备方法一种实施例(实施例1第1步)所得的PVDF 膜具有微米结构的PVDF膜表面原子力显微镜图;

    图4(b)为本发明制备方法一种实施例(实施例1)所得的PVDF膜经表面 化学修饰后PVDF膜表面覆盖纳米结构的原子力显微镜图。

    具体实施方式

    下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。

    针对目前PVDF膜防污自洁性能不够理想的问题,本发明设计思路是将 “荷叶效应”原理应用到防污自洁PVDF膜的制备方法之中,采用碱溶液对 PVDF膜表面进行处理,以期在PVDF膜表面引入羟基,克服PVDF膜具有较高 的化学惰性,本身不含有反应性基团的缺陷,便于化学浴沉积反应中有机硅烷 水解产生的硅醇基与PVDF膜表面上的羟基发生牢固的化学键合,制得一种新 型的防污自洁PVDF膜。

    本发明设计的防污自洁(或超疏水)PVDF膜制备方法(简称制备方法)包 括以下工艺:

    1.PVDF膜制备:将PVDF粉体溶解于溶剂中,配制成质量分数为5-10% 的PVDF溶液,50-70℃下恒温搅拌1-2h,静置脱泡30min,涂膜,在90-180 ℃条件下烘干,即得到PVDF膜;所述的溶剂为丙酮、二甲基甲酰胺或二甲基 乙酰胺;

    2.碱液处理PVDF膜:碱液处理PVDF膜包括碱-水溶液处理和碱-醇溶 液处理两种工艺:

    碱-水溶液处理工艺为:将PVDF膜浸渍在质量浓度20-40%的碱-水 溶液中,在60-80℃下处理2-3h,然后取出水洗,烘干,即在PVDF膜表面直 接引入羟基;所述碱-水溶液为NaOH-水溶液、LiOH-水溶液或KOH-水溶 液;

    碱-醇溶液处理工艺为:先将PVDF膜浸渍在质量浓度2-10%的碱-醇 溶液中,在25-40℃下处理3-5min,取出PVDF膜,水洗,烘干后,再将PVDF 膜浸泡在适当溶液中25-60℃下反应3-10min,然后取出膜,充分水洗,烘干 即得;所述碱-醇溶液为NaOH-醇溶液、LiOH-醇溶液或KOH-醇溶液,所 述的适当溶液是指质量浓度(4-8%)KMnO4/(20-30%)KOH-水溶液,或者是 质量浓度98%的浓H2SO4溶液。这一工艺设计原理是PVDF膜先在碱-醇溶液中 发生HF的消除反应生成C=C双键,再利用所述KMnO4/KOH溶液或浓H2SO4打 开C=C双键,在PVDF膜表面引入羟基。碱-醇溶液处理工艺比碱-水溶液 工艺看似复杂一些,但其大幅度地减少了碱的用量和反应时间,优点明显。

    3.PVDF膜表面修饰:先将有机硅烷溶解于有机溶剂中,制成体积浓度 为1/10-1/3的有机硅烷溶液,放在相对湿度为60-80%的密闭容器中待用; 所述有机硅烷为甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷和氟代烷基 硅烷中至少一种;所述有机溶剂为苯、甲苯、乙醚、二乙烯醚或环氧乙烷; 再将第2步碱液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的有机硅烷溶液里, 表面处理20-30min;处理后的PVDF膜在常温下先用所述溶解有机硅烷的有 机溶剂洗涤一次,再分别用乙醇和体积比1∶1的乙醇-水溶液充分洗涤,然 后在100-120℃下烘干,即制得所述的防污自洁PVDF膜。

    本发明所述的防污自洁PVDF膜制品采用本发明所述的防污自洁PVDF膜 制备方法制成。利用杨氏接触角和德国波恩大学A.Born等开发的集灰实验测 试方法检测PVDF膜表面的疏水自洁性能,测试结果表明,本发明所制得的 PVDF膜表面与水的接触角高达155°以上(参见实施例和附图1-3),具有 良好的超疏水性能。液滴在膜表面呈球状,滚动角小,在液滴滚落的同时, 能容易地将膜表面的污物带走,显示了良好的防污自洁性能。

    本发明基于“荷叶效应”原理,采用PVDF溶液涂膜构筑微米结构;再用 适当碱液处理PVDF膜,产生亲水基团,进而利用有机硅烷发生水解聚合反应 生成纳米结构的聚硅氧烷,沉积在PVDF膜表面,成功地在膜表面构筑出类似 于荷叶表面的微米-纳米结构双重结构(参见图4),污物不容易粘附,提高 了PVDF膜的疏水性和自清洁功能。本发明制备方法没有使用纳米粒子,不存 在纳米粒子容易团聚,降低PVDF膜透光性能的问题。

    本发明未述及之处适用于现有技术。

    下面给出本发明制备方法的具体实施例。具体实施例不限制本发明权利 要求。

    实施例1

    1.PVDF膜制备:将PVDF粉体溶解于二甲基甲酰胺溶液中,配制质量分 数为5%的PVDF溶液,60℃恒温搅拌2h,静置脱泡30min,涂膜,90℃烘干, 制得具有微米结构的PVDF膜。

    2.碱液处理PVDF膜:将PVDF膜浸渍在质量浓度35%的NaOH-水溶液中, 在60℃下处理3h,然后取出PVDF膜,水洗,烘干。

    3.PVDF膜表面修饰:配制含有体积分数8%甲基三氯硅烷和12%二甲基 二氯硅烷的甲苯溶液,将其放在相对湿度为80%的密闭容器中待用,再将第2 步经NaOH溶液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的甲苯溶液里,进行 表面处理30min,将处理后的PVDF膜取出,依次用甲苯、乙醇和体积比1∶1 的乙醇-水溶液在常温下充分洗涤,在120℃下烘干10min后,即获得具有 防污自洁功能的PVDF膜。

    对比实验未经表面修饰的PVDF膜与水的接触角只有88°(参见图1(a)), 且膜表面的污物很难随水滴滚落(参见图1(b))。本实施例经表面修饰后的 PVDF膜与水的接触角高达157°(参见图2(a)),所得PVDF膜表面的水滴 很圆,与PVDF膜表面接触面积很少;当PVDF膜倾斜(滚动角)1°时,水滴 迅速从该表面滚落,滚过一定距离后的水滴仍呈圆球状,且水滴表面聚集了 大量的灰尘,水滴滚过后的PVDF膜表面非常干净(参见图2(b)),说明本 发明PVDF膜表面具有良好的防污自洁效果。

    实施例2

    1.PVDF膜制备:将PVDF粉体溶解于二甲基乙酰胺溶液中,配制质量分 数为5%的PVDF溶液,70℃恒温搅拌1.5h,静置脱泡30min,涂膜,120℃烘 干,制得具有微米结构的PVDF膜。

    2.碱液处理PVDF膜:将PVDF膜浸渍在质量浓度5%的KOH-乙醇溶液中, 在40℃处理3min后,取出PVDF膜,水洗,烘干;再将PVDF膜浸入质量浓 度4%KMnO4/30%KOH-水溶液中,室温下反应10min,取出水洗,烘干。

    3.PVDF膜表面修饰:配制含有体积分数7.4%甲基三氯硅烷和12.6%二 甲基二氯硅烷的甲苯溶液,将其放在相对湿度为80%的密闭容器中待用,再 将第2步经碱液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的甲苯溶液里,进行 表面处理20min,将处理后的PVDF膜取出,依次用甲苯、乙醇和体积比1∶1 的乙醇-水在常温下充分洗涤,在100℃下烘干12min,即获得具有防污自洁 功能的PVDF膜。

    经检测,本实施例所得PVDF膜与水的接触角为155°(参见图3(a)), 当PVDF膜倾斜4°时,水滴很容易将膜表面的污物带走(参见图3(b)),显 示出良好的疏水自洁性能。

    实施例3

    1.PVDF膜的制备:同实施例1步骤1。

    2.碱液处理PVDF膜:将PVDF膜浸渍在质量浓度25%的LiOH-水溶液中, 在80℃处理2.5h,然后取出PVDF膜,水洗,烘干。

    3.PVDF膜表面修饰:配制含有体积分数8%的FAS [(CF3(CF2)8(CH2)2-Si(OCH3)3]的苯溶液,将其放在相对湿度为60%的密闭容器 中,待用,再将第2步经LiOH-水溶液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容 器中的苯溶液里,进行表面处理30min,将处理后的PVDF膜取出,依次用苯、 乙醇和体积比1∶1的乙醇-水溶液在常温下充分洗涤,在120℃下烘干10min, 即获得具有防污自洁功能的PVDF膜。

    经检测,本实施例所得PVDF膜与水的接触角为155°;当PVDF膜倾斜3 °时,水滴很容易将膜表面的污物带走,显示出良好的疏水自洁性能。

    实施例4

    1.PVDF膜的制备:同实施例1步骤1。

    2.碱液处理PVDF膜:将PVDF膜浸渍在质量浓度2%的KOH-甲醇溶液中, 25℃处理5min后,取出PVDF膜,水洗,烘于;然后PVDF膜再浸泡在98%的 浓H2SO4溶液中,60℃反应3min,取出充分水洗,烘干。

    3.PVDF膜表面修饰:配制含有体积分数8%甲基三氯硅烷和20%三甲基 氯硅烷的乙醚溶液,将其放在相对湿度为70%的密闭容器中,待用,再将第2 步经KOH溶液处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的乙醚溶液里,进行表 面处理30min,将处理后的PVDF膜取出,依次用乙醚、乙醇和体积比1∶1 的乙醇-水溶液在常温下充分洗涤,在110℃下烘干10min后,即获得具有 防污自洁功能的PVDF膜。

    经检测,本实施例所得PVDF膜与水的接触角为155°;当把PVDF膜倾 斜4°时,水滴很容易将膜表面的污物带走,显示出良好的疏水自洁性能。

    实施例5

    1.PVDF膜的制备:同实施例1步骤1。

    2.碱液处理PVDF膜:将PVDF膜浸渍在质量浓度10%的NaOH-甲醇溶液 中,30℃处理4min后,取出PVDF膜,水洗,烘干;再将PVDF膜浸入质量浓 度8%KMnO4/20%KOH-水溶液中,室温下反应3min,取出水洗,烘干。

    3.PVDF膜表面修饰:配制含有体积分数5%甲基三氯硅烷和6%三甲基氯 硅烷的二乙烯醚溶液,将其放在相对湿度为60%的密闭容器中待用,再将经 第2步处理过的PVDF膜浸渍在所述密闭容器中的二乙烯醚溶液里,进行表面 处理25min,将处理后的PVDF膜取出,依次用二乙烯醚、乙醇和体积比1∶1 的乙醇-水在常温下充分洗涤,在120℃下烘干10min后,即获得具有防污 自洁功能的PVDF膜。

    经检测,本实施例所得PVDF膜与水的接触角为156°;当把PVDF膜倾 斜3°时,水滴很容易将膜表面的污物带走,显示出良好的疏水自洁性能。

    关 键  词:
    一种 防污 洁聚偏氟 乙烯 制备 方法 及其 制品
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