基于两亲嵌段共聚物选择性溶胀的分离膜

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分离膜在工业生产和日常生活中发挥着日益重要的作用。随着社会的发展,人口、资源、环境等问题的加重,人们对分离膜有了更高的要求,如何制备孔径分布窄、通量高、性能丰富的分离膜是该领域的重要研究课题。  嵌段共聚物是由两种或两种以上通过化学键相连的均聚物嵌段组成的聚合物,它已被证明是制备孔隙率高、孔径分布窄、性能可调的纳米级孔道薄膜的理想材料。由于不同嵌段间的不相容性,在适宜的热力学条件下,嵌段共聚物会发生微相分离,自组装形成高度均一的纳米分相结构,如将其中的分散相转变成孔,可得到孔径(接近)单分散的多孔材料。而将嵌段共聚物自组装与选择性溶胀引发的结构重建相结合,是一种新兴的成孔方法。当嵌段共聚物自组装形成的分相结构置于对嵌段有不同选择性的溶胀剂中时,亲合力的不同使得一种嵌段高度溶胀而另一嵌段基本不受影响,当脱除溶胀剂后,溶胀嵌段所占的区域收缩,自组装结构进行重建,而由于结构重建仅发生在受玻璃态、非溶胀相限制的位置,避免了整体结构的塌陷,最终可得到稳定的多孔结构。  本论文基于嵌段共聚物的选择性溶胀,提出了一种新的制备分离膜的方法。首先尝试不同的复合方法,确定通过直接涂敷将嵌段共聚物层与基膜复合,然后优化复合条件并增加热处理步骤,保证嵌段共聚物层在基膜上完整、均匀、无缺陷,最后再经乙醇溶胀、干燥,得到了以聚苯乙烯-b-聚2-乙烯基吡啶层为分离层、聚偏氟乙烯基膜为支撑层的复合多孔膜。基膜提供机械强度。热处理能够增强嵌段共聚物层与基膜的结合力并避免缺陷产生。乙醇中处理时,聚2-乙烯基吡啶分散相发生溶胀,干燥后空穴化,从而形成三维连通的孔道结构。这种制膜方法操作简单,对嵌段共聚物需求量较少,不涉及化学反应,膜层无质量损失,而且在溶胀过程中,极性链段会迁移到膜表面,使膜的亲水性增强,并具有刺激敏感特性。  之后,我们从嵌段共聚物层选择性溶胀成孔的机理着手,表征不同溶胀时间所制复合膜的孔道结构与表面元素分布,测定其纯水通量及对牛血清蛋白的截留,并考察膜的吸附性能、尺寸筛分效果及刺激响应特性。结果表明,复合膜有规整的孔道结构,良好的机械强度、亲水性、抗污染能力及超滤性能,膜表面平均孔径与分离性能可通过改变溶胀时间进行连续的调节,另外,复合膜展现了较好的尺寸筛分效果及敏感、可逆的pH响应特性。
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