聚偏氟乙烯微滤膜的制备及其结构演变的机理研究

摘要

聚偏氟乙烯(PVDF)是一种性能优良的功能高分子材料，具有很好的耐热性、化学稳定性和可加工性，在环境科学领域常用于各种水处理和气体处理，但是PVDF因其表面的疏水性，过滤时容易引起各种油性物质的附着，造成膜表面污染和过滤通道堵塞等问题，使其应用范围受到一定程度的限制。加之目前PVDF过滤薄膜的制备常采用湿法成膜工艺，制备的PVDF薄膜机械性能有待提高。因此，探索新的PVDF过滤膜的制备方法，研究过滤膜中PVDF聚集态结构的形成机制，调节并控制其内部微观结构，对于制备综合性能优异的PVDF过滤材料具有重要的理论指导意义。
　　本课题首先采用湿法相转化法制备PVDF微滤膜，研究了成膜制备过程中DMF浓度、成型温度、PVDF固含量以及聚乙烯醇(PVA)亲水改性剂的添加量等因素对PVDF多孔微滤膜结构与性能的影响规律。结果表明，随着凝固浴中DMF浓度的增加，PVDF膜内的泡孔尺寸和指形孔结构均有变小趋势。PVDF固含量增大时，膜内置换速率变缓，表面指形孔和内部微孔结构均变小。此外，随着成膜温度升高，三相交换变剧烈，PVDF微滤膜的孔径增大。PVDF微滤膜的拉伸强度随PVDF固浓度的升高和铸膜液中DMF浓度的降低而增大。加入PVA后PVDF薄膜的接触角由108°降低至63°，表明添加PVA改善了PVDF薄膜的亲水性。
　　热力学相容性对多组分聚合物薄膜的相分离结构具有重要影响，并进而引起薄膜内部孔结构的变化。为了探索热力学相容性不同的体系中PVDF微孔膜的结构演变机制，以热力学不相容体系PVDF/聚己内酯(PCL)和热力学相容体系PVDF/聚己二酸丁二酯(PBA)为例，研究了共混比例和温度等因素对相分离结构以及PVDF膜孔结构与性能的影响规律。结果表明，在PVDF/PCL体系内，随着PCL含量的增加，体系的热力学相容性增强;随着成膜温度的升高，混合溶液的相容性越好。形貌研究表明，在PVDF成膜溶液浓度相同时，分别在45℃和90℃进行溶液成膜，发现两个体系内均是高的成膜温度形成的泡孔结构较为均匀;随PCL(PBA)含量的增加，PVDF复合法所得膜的拉伸强度下降而孔隙率增大。对比两个体系，加入PBA的混合溶液相容性优于PCL，制备的过滤膜形貌结构也较PCL更均匀，泡孔结构更细密，但PCL拉伸性能较PBA更好，孔隙率更大。
　　为了阐述PVDF/PCL共混体系相分离结构的演变机理，分别研究了该体系中两组分结晶时的相互作用。结果表明，不同的混合比例下体系的相容性有所差异，PVDF的组分占优时体系为热力学不相容体系，PCL占优时体系为热力学相容性体系。动力学研究表明，在PVDF/PCL中，PCL的结晶速度高于纯PCL和其他配比。为了深入研究PVDF晶体对PCL结晶的诱导作用，制备了高度取向的PVDF薄膜，并分析了PCL在取向PVDF基底上的结晶过程和结晶结构。电子衍射研究表明，PCL分子链平行于PVDF基底的分子链，两者的晶体之间存在完美的晶格匹配关系，这是共混体系中PVDF组分能够诱导PCL结晶的根本原因。

目录

摘要

符号说明

1．综述

1．1 前言

1．2 膜科学与技术的发展

1．2．1 膜的概述

1．2．1 膜材料的发展

1．2．3 膜制备方法

1．3 聚偏氟乙烯微滤膜的研究

1．3．1 聚偏氟乙烯的简介

1．3．2 聚偏氟乙烯的晶体结构

1．3．3 聚偏氟乙烯的性能

1．3．4 PVDF微滤膜的制各和改性

1．4 研究课题的目的、意义和内容

1．4．1 课题研究的目的与意义

1．4．2 课题的主要内容

2 湿法聚偏氟乙烯微滤膜的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 样品制备

2．2．4 样品表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 凝固浴中DMF浓度对PVDF微滤膜结构的影响

2．3．2 铸膜液中固含量对PVDF微滤膜结构的影响

2．3．3 凝固浴中PVA浓度对PVDF微滤膜结构的影响

2．3．4 凝固浴温度对PVDF微滤膜结构的影响

2．4 本章小结

3 PVDF／PCL不相容体系共混法制膜

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 样品制备

3．2．4 样品表征

3．3 PVDF／PCL混合法制膜结构的研究

3．3．1 PVDF／PCL成膜过程的研究

3．3．2 共混比例对PVDF／PCL形貌的影响

3．3．3 温度对PVDF／PCL过滤膜形貌结构的影响

3．3．4 PVDF／PCL膜性能

3．4 本章小结

4 PVDF／PBA相容体系及三元共混法制膜的研究，

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 样品制备

4．2．4 样品表征

4．3 PVDF／PBA混合法制膜的研究

4．3．1 共混比例对PVDF／PBA形貌的影响

4．3．2 温度对PVDF／PBA膜表面形貌结构的影响

4．3．3 PVDF／PBA膜性能的研究

4．4 PVDF／(PCL+PBA)三元体系结构的研究

4．4．1 共混比例对PVDF／(PCL+PBA)过滤膜形貌的影响

4．4．2 温度对PVDF／(PCL+PBA)过滤膜形貌结构的影响

4．4．3 PVDF／(PCL+PBA)膜性能

4．5 本章小结

5 结论与创新点

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文、成果

攻读硕士学位期间参与的项目

声明