超高分子量聚乙烯微孔膜的制备与研究

摘要

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为具有平面锯齿状结构的线性聚乙烯，分子链长而无庞大侧基，故所制得的微孔膜具有比普通聚乙烯膜材料更为突出的机械强度及抗冲击性等特点。UHMWPE微孔膜以其优异的综合性能可长期用于气液分离、污水处理、药液过滤等大型产业领域而有望步入工业化。本论文对不同条件下制得的超高分子量聚乙烯微孔膜的结构性能进行了大量的测试与研究。
　　 首先研究了UHMWPE分子量、膜中UHMWPE的固含量及微孔膜厚度等因素对微孔膜结构与性能的影响。研究发现，由于UHMWPE与液体石蜡(LP)的溶度参数相近，体系相互作用强，即便在1℃/min的冷却条件下，UHMWPE/LP二元体系也只存在由UHMWPE结晶而引起的S-L相分离。随着UHMWPE分子量与固含量的增大，体系粘度增大，稀释剂不易扩散，小液滴难以聚集成大液滴而导致UHMWPE微孔膜的孔结构变小，且和分子量大小相比，固含量对体系粘度的影响更为明显。当微孔膜厚度从100μm增至200μm时，膜表层变得致密传质阻力增大且厚度增加阻力通道加长，膜的水通量显著减少。UHMWPE固含量为25wt％时，分子量不同的微孔膜抗拉强度均介于4～5MPa间，当UHMWPE含量增至30wt％时，膜的抗拉强度增至6.95MPa。
　　 其次，制备了不同冷却速率下的UHMWPE微孔膜并结合非等温结晶动力学对相应条件下所得微孔膜的结构与性能进行了研究。研究发现，结晶速率受成核过程控制，UHMWPE在低温下更易结晶。在用Jeziomy法对非等温结晶动力学进行分析时，结晶速率常数Zc随冷却速率的增加大致呈增长趋势;在用Mo法对非等温结晶动力学进行分析时发现，结晶速率随着相对结晶度的增加线性下降。微孔膜的表面和断面孔结构以及膜的纯水通量均随着冷却的深入而有所减小。且冷却速率较小时，膜中存在较大的孔结构在拉伸过程中易形成缺陷而致使膜断裂，故微孔膜的力学性能随冷却速率的增大而有所上升。
　　 最后，研究了不同含量PEG20000改性后所得微孔膜的结构与性能。研究表明，和未改性的UHMWPE微孔膜相比，改性膜的孔径、孔隙率均有所增大，截留率则明显减小。改性剂含量增加，膜的亲水性大致呈上升趋势，但由于PEG20000溶于水，随着膜在蒸馏水中浸泡时间的延长改性剂发生流失，膜的亲水性能有所衰减。和改性前相比，改性膜的水通量及恢复率均显著上升，蛋白质通量衰减下降，意味着改性后的UHMWPE微孔膜具有很好的渗透性及抗蛋白质污染性。而当PEG20000固含量增至20wt％时，膜出现明显的分层结构，其渗透性能及抗蛋白质污染性能发生轻微地下降。当PEG20000的质量分数为15wt％时，该配比下两种物质的相容性最佳，结晶度显著增大，且由于改性剂分子链与UHMWPE分子链间相互缠结起到物理交联作用，改性膜的力学强度达到15MPa左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内微孔膜的发展概况

1．2 微孔膜的制备方法

1．2．1 粉末烧结法

1．2．2 熔融拉伸法

1．2．3 物理浸出法

1．2．4 径迹蚀刻法

1．2．5 非溶剂致相分离法(NIPS)

1．2．6 热致相分离法(TIPS)

1．3 TIPS法制备微孔膜的分相机理

1．3．1 S-L、L-L相分离

1．3．2 Huggins参数X对相分离的影响

1．4 微孔膜的亲水性改性

1．4．1 臭氧接枝改性

1．4．2 紫外光(UV)接枝改性

1．4．3 γ射线接枝

1．4．4 等离子体处理

1．4．5 表面涂敷

1．4．6 共混

1．5 UHMWPE微孔膜的研究进展

1．6 本文的研究内容及创新点

第二章 水冷条件下影响UHMWPE微孔膜结构性能的因素

2．1 实验原料与仪器

2．1．1 实验原料与试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 UHMWPE微孔膜的制备及性能测试

2．2．1 UHMWPE微孔膜的制备

2．2．2 UHMWPE微孔膜的性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 微孔膜中UHMWPE真实固含量的测定

2．3．2 相图

2．3．3 UHMWPE微孔膜的结构与渗透性能

2．3．4 UHMWPE微孔膜的力学性能

2．4 本章小结

第三章 非等温结晶动力学及冷却速率对膜结构性能的影响

3．1 实验原料与仪器

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验仪器

3．2 微孔膜的制备及性能测试

3．2．1 微孔膜的制备

3．2．2 微孔膜的性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 UHMWPE／LP非等温结晶动力学

3．3．2 不同冷却条件下UHMWPE微孔膜的结构性能

3．4 本章小结

第四章UHMWPE微孔膜的亲水性改性

4．1 实验原料与仪器

4．1．1 实验原料与试剂

4．1．2 实验仪器

4．2 亲水性UHMWPE微孔膜的制备及性能测试

4．2．1 亲水性UHMWPE微孔膜的制备

4．2．2 亲水性UHMWPE微孔膜的性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 改性剂对体系相图的影响

4．3．2 改性剂对膜结构的影响

4．3．3 改性剂对膜亲水性的影响

4．3．4 改性剂对膜渗透性及抗蛋白质污染性的影响

4．3．5 改性剂对膜力学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

硕士研究生期间发表的论文