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一种船用中空纤维富氧膜的试验

刘安涟

【摘要】应用相转化法及硅橡胶涂覆法制备一种聚砜(PSF)中空纤维富氧膜.研究铸

膜液中非溶剂的含量和芯液组成对中空纤维富氧膜微结构及透气量的影响,结果表

明,随着非溶剂二甘醇(DEG)含量的增加,PSF中空纤维膜内指状孔变长且更为均匀,

而中间海绵体层逐渐变薄.使用纯N-甲基吡咯烷酮(NMP)或含少量水的NMP溶

液作芯液,可制得单一皮层和单指状开口多孔层的高度非对称结构、高透气量PSF

中空纤维富氧膜.

【期刊名称】《船海工程》

【年(卷),期】2018(047)006

【总页数】4页(P157-160)

【关键词】中空纤维富氧膜;干-湿法相转化;微结构;透气量

【作者】刘安涟

【作者单位】中国舰船研究设计中心,武汉430064

【正文语种】中文

【中图分类】U664.8

某些特殊用途的功能船对氧气的需求量越来越大，以传统的高压气瓶作为唯一氧气

来源的保障方法已经不能满足使用量的需求。随着常温空气分离技术的发展，船舶

上装备气体分离制氧设备已成为可能[1]。但船舶总体空间有限、环境湿度大，存

在盐雾腐蚀、航行时的冲击振动，适应船用环境，在有限的空间获得更大的氧气产

量，是船舶制氧设备技术发展的方向。

目前，用于气体分离的聚合物膜材料主要有聚砜、聚芳酰胺、聚酰亚胺、硅橡胶和

醋酸纤维素等。常用的制膜工艺是相转化法，利用铸膜液与周围环境进行溶剂、非

溶剂传质交换，原来稳态溶液变成非稳态而产生液-液相转变，最后固化形成膜结

构[2-4]。产业化空气分离的膜分离器主要有板框式、螺旋卷式和中空纤维式。从

适装性出发，高透气量中空纤维膜是船用制氧设备的优选。中空纤维膜的分离性能

由其微结构决定，而不同的用途也要求有不同的膜结构。在相转换法制备聚合物膜

的过程中，膜的微结构不仅受聚合物本身特性影响，而且受多种成膜条件的控制，

如溶剂性质、聚合物组成、纺制温度、凝结剂组成等[5-7]。在铸膜液中添加一定

量的非溶剂或者弱极性溶剂，不仅可以改变铸膜液的热力学性质，而且对凝胶过程

中非溶剂和溶剂的交换速率也产生很大的影响，从而达到改善膜结构，提高膜分离

性能的目的[8-9]。

以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂制备聚砜(PSF)中空纤维富氧膜，具体研究二甘醇

(DEG)作为非溶剂和NMP作为芯液对中空纤维富氧膜微结构及透气量的影响。

1制备与试验

1.1试剂和材料

聚砜(PSF，P3500)、N-甲基吡咯烷酮(NMP，分析纯)、二甘醇(DEG，分析纯)、

硅橡胶(Sylgard184)、环己烷(CYH，分析纯)。

1.2铸膜液的制备

清洗PSF，将PSF放入表面皿中，在50℃左右下干燥24h，以除去里面的水分。

量取一定量的NMP放入广口瓶中，加入一定量的二甘醇，混合均匀。然后将烘干

的聚合物加入广口瓶中，用搅拌器充分搅拌48h得到聚合物溶液，超声波震荡脱

气后，过滤用于纺丝。铸膜液组成中NMP与PSF的质量比固定为4∶1，添加的

DEG的质量分数分别为0%，10.0%，20.0%，26.5%。

1.3中空纤维富氧底膜的制备

将混合好的PSF铸膜液装入储料罐里，用真空泵抽真空2h。安装好自制的纺丝设

备，检查设备的气密性。以水、NMP和水混合溶液作芯液，去离子水做外凝结剂，

空气间隙为0.5～5.0cm进行纺丝。调节N2气压为0.02MPa，铸膜液经过喷丝

头进入凝胶浴中，将制备的中空纤维膜在水中浸泡2d，使其中的溶剂和非溶剂能

够充分与水交换，以保证其结构稳定。

1.4硅橡胶的涂覆

将保存于水中的膜在空气中自然晾干4h后，置于控制温度为60℃的烘箱内保持

24h，使其充分干燥。然后用自制硅橡胶涂覆机，于干燥膜丝外表面涂覆质量浓

度为3%的硅橡胶-环己烷溶液，并于空气中自然晾干4h后，置于控制温度为80℃

的烘箱内保持8h使硅橡胶完全固化，制得中空纤维富氧膜。

1.5中空纤维富氧膜的表征

将中空纤维富氧膜取出一段置于液氮中冷冻脆断，用扫描电镜(SEM,FEI

Sirion200)观察中空纤维膜的形貌。

另取一段在自制测试台中测试中空纤维富氧膜纯氧透气量，测试压力为0.1MPa。

2结果与分