雾化辅助非溶剂诱导相分离法制备聚合物膜及其应用研究
聚合物分离膜的性能是由膜材料和膜的形态结构共同决定的，而膜的结构又取决于其制备方法。非溶剂致相转化法又称为L-S相转化法，是制备非对称聚合物分离膜的应用最为广泛的方法。本文对经典的非溶剂致相转化制膜方法进行了优化改进创新，即通过在传统非溶剂相转化法基础上增加雾化预处理的步骤以减缓分相速度进而调控分离膜的微观结构。采用该优化后的方法制备了具有双连续网络孔结构的微滤膜。将该方法与聚合物共混、高压喷涂等工艺结合，开发出了具有微纳复合结构的特殊浸润性表面。对成膜机理及分离膜在吸附、油水分离、集雾等方面的应用进行了系统的研究。主要的研究内容如下： 1.开发了一种新的聚合物制膜方法，雾化辅助非溶剂诱导相分离（AA-NIPS）法。利用该方法制备了基于商业通用聚合物聚丙烯腈（PAN）的平板膜。通过调节铸膜液中聚合物浓度、雾化预处理时间及雾量大小对膜结构进行了调控。发现同样的铸膜液浓度情况下随着雾化预处理时间增加，膜的微观结构由小孔径的超滤膜逐渐过渡为双连续网络孔结构的微滤膜，孔隙率也呈现出增大的趋势。雾化预处理时间对膜结构的影响进而影响表面浸润性和比表面积，进而影响膜的吸附性能。发现随着雾化预处理时间从0s增加到40s，铸膜液浓度为8wt%的PAN膜对亚甲基蓝的吸附量由53mg/g增加到117mg/g，吸附量提高了1.2倍。对实验所得数据进行拟合，发现PAN膜对亚甲基蓝的吸附为物理吸附和化学吸附协同作用的结果，吸附过程可以通过Langmuir等温吸附方程来描述。 2.以丝瓜络的三维纤维网络结构为灵感，采用AA-NIPS法制备了基于PAN和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的双连续网络孔结构微滤膜。研究了PVP含量及雾化预处理时间对膜结构及浸润性的影响。得到了在整个膜纤维骨架上分布着一层纳米级凸起的PAN/PVP膜。通过ATR-FTIR、NMR和AFM对所制备的膜进行分析，认为纳米凸起的形成是两种聚合物的微相分离及高分子链的缠结导致的。微纳复合结构赋予该膜表面在水下的超疏油性和抗油粘附特性。该膜可在低压下分离无表面活性剂和表面活性剂稳定的水包油乳状液，分离效率高，通量高。此外，通过超声、混合溶剂处理及循环试验证明了该膜的长期使用性能。该分离膜在分离水包油乳液方面的优异性能及其易于规模放大的制备工艺表明其拥有良好的应用前景。 3.受启发于自然界生物的超疏水/超亲水图案化的集水模式，本文采用AA-NIPS法结合高压喷涂法制备了具有微纳复合结构的浸润性差异的表面。该微纳复合结构多孔膜在超亲水和超疏水协同作用下对雾滴进行收集，通过调控雾化预处理时间及高压喷涂时间调控膜表面微观结构及疏水部分覆盖率，以优化膜的集雾性能，集雾效率可达46.0mg·cm-2·min-1。同时，该膜具有优异的界面稳定性，可长时间持续使用。 4.在实验室现有设备的基础上完成了对AA-NIPS工艺的模试连续化制备的改造，搭建出可连续化的卷对卷制备的装备。通过观测微观形貌结构、表面浸润特性及油水分离性能筛选出了最佳无纺布种类、刮膜机车速、塞尺厚度及刮刀工艺。在此最佳工艺参数下完成了平板膜框的制备并用于油水分离性能测试，发现连续工艺制得的膜片对乳化剂稳定的柴油/水乳液的分离通量能达到1312L·m-2·h-1，相应的分离效率达到98.9%。循环试验证明了通过连续制备工艺得到的板框式平板膜可以长期有效的对乳化油进行分离，表明该分离膜拥有良好的应用前景。
聚合物膜;雾化预处理;非溶剂;相转化制膜;网络孔结构
北京化工大学
博士
材料科学与工程
刘轶群
2022
中文
TQ051.893
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）