溶液共混方法在PVC膜改性中的应用研究

摘要

膜分离技术作为一项新兴技术产业，应用领域日益扩大。但膜分离过程中，物料处理量大、易污染、使用价格昂贵等缺陷严重地阻碍了膜技术的推广和发展。因此膜材料的开发、选择和制膜工艺的研究显得更加重要。聚氯乙烯(PVC)作为工业生产中产量仅次于聚乙烯(PE)的第二大合成树脂，具备价廉易得，化学稳定性好、机械强度高、耐微生物侵蚀等优点，是值得推广的膜材料。但是研究表明聚氯乙烯成膜性能差、亲水性和韧性不足，因此需要对其进行改性。
　　 目前对膜材料进行改性的方法主要有:接枝共聚、嵌段共聚、共混及等离子表面照射等，其中利用溶液共混的方法制备膜分离材料是最简单、易行的方法。它能将几种性质不同而相容性较好的成分结合在一起，起到相互补偿的作用，从而制备出价格低廉、综合性能好的共混膜。聚偏氟乙烯(PVDF)具有化学性质稳定、成膜性能优良、韧性好等优点，但价格太昂贵;聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA)亲水性强，化学性质稳定，且价格低廉，但其制备的膜脆性大。因此将PVDF、PMMA和PVC共混，不但可以提高PVC膜的成膜性能，还能改善其韧性及亲水性能，从而制备出透水性好、机械性能好的聚氯乙烯膜。所以本研究拟使用溶液共混法将PVDF、PMMA与PVC共混，对PVC膜进行改性，本论文主要进行了以下几方面内容的研究:
　　 首先对共混体系的相容性进行了研究。测定PVC/PVDF/PMMA共混溶液的剪切粘度与共混配比之间的关系，对共混体系的相容性进行了定性研究，结果表明PVC/PVDF/PMMA共混体系为部分相容性。然后采用聚合物溶液本征粘度法对PVC/PVDF/PMMA体系的相容性进行了定量研究，结果表明:共混配比为8∶1∶1、7∶2∶1、6∶3∶1、7∶1∶2、6∶1∶3和5∶1∶4时，共混体系是相容的。
　　 随后通过考察膜透过性能和机械性能随铸膜液中聚合物浓度、共混配比的变化情况，确定了最佳共混比及适宜的聚合物浓度。结果表明，铸膜液中PVC/PVDF/PMMA的最佳共混配比为6∶1∶3，且当铸膜液质量分数为16％、铸膜液温度为室温的条件下制备的共混膜性能最佳。
　　 第三是确定共混体系在不同条件下成膜时的相分离诱导因素，研究不同相分离方式对共混膜的形态结构和膜性能的影响。相分离可以是溶剂和非溶剂的相互扩散所致，即扩散诱导相分离(DIPS)，也可以是因为温度降低或加入添加剂使溶剂溶解能力减弱所致，即热致相分离(TPS)，还可以是二者共同作用所致。实验表明，在聚合物浓度不变的情况下，共混体系中加入不同质量浓度的三种分子量的添加剂聚乙二醇(PEG)后，铸膜液在凝胶浴中成膜的相分离因素会发生改变。当PEG200，400，600的质量百分数低于15％、18％及20％时，PVC/PVDF/PMMA共混溶液只能通过DIPS成膜，而当质量百分数高于15％、18％及20％时，该共混体系的相分离方式可以是DIPS与TIPS相结合，也可以是热致相分离(TIPS)。通过对三种相分离情况下成膜的结构观察，结果表明:不同相分离方式对共混膜的形态结构影响很大，DIPS成膜和DIPS与TIPS共混作用成膜时，膜断面均为含有指状孔的非对称结构;TIPS成膜时，膜断面指状孔结构转变为海绵状结构。通过膜性能测试表明:由DIPS和TIPS相结合制得的共混膜水通量孔隙率有明显提高，截留率下降;通过DIPS得到的共混膜，截留率和断裂强度有明显提高，但水通量减小。
　　 最后研究了添加剂无机小分子Al2O3、TiO2、SiO2对PVC/PVDF/PMMA共混膜性能的影响。通过膜性能测试及扫描电镜等测试手段对无机小分子的添加效果进行了考察。研究表明:加入五种小分子并没有改变共混膜的成膜机理，且均可使膜的渗透通量和亲水性得到显著提高;对比添加纳米SiO2、TiO2和凝胶SiO2、TiO2的共混膜，添加纳米SiO2和凝胶TiO2可有效提高共混膜的水通量，而添加凝胶SiO2提高了共混膜的机械性能。

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摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 膜分离的技术概况

1．2．1 膜分离的基本概念

1．2．2 膜分离过程分类及特点

1．2．3 高分子膜分离技术发展概况

1．3 PVC膜的国内外研究现状

1．4 聚合物膜材料的改性研究

1．4．1 常用膜材料改性方法

1．4．2 聚氯乙烯膜改性研究现状

1．5 聚合物溶液共混相容性研究的方法

1．6 聚合物膜相分离方式的研究

1．6．1 聚合物膜的制备工艺

1．6．2 聚合物膜的相分离方式研究

1．7 无机小分子对聚合物膜性能的影响研究

1．8 本课题的研究内容

第二章 PVC/PVDF/PMMA共混相容性研究

2．1 相容性的概念及分类

2．2 相容性理论的热力学基础

2．3 本征粘度法确定聚合物—聚合物相容性的理论基础

2．4 PVC/PVDF/PMMA共混相容性的测定研究

2．4．1 实验材料及方法

2．4．2 溶解度参数法表征相容性的研究

2．4．3 剪切粘度法表征相容性的研究

2．4．4 本征粘度法表征相容性的研究

2．5 本章小结

第三章 共混膜铸膜液最佳共混比及适宜的聚合物含量的确定

3．1 实验材料及方法

3．1．1 实验材料及试剂

3．1．2 实验设备及仪器

3．1．3 共混膜的制备

3．1．4 膜性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 适宜的聚合物浓度

3．2．2 最佳共混比的确定

3．3 本章小结

第四章 相分离方式对PVC/PVDF/PMMA共混膜性能的影响

4．1 引言

4．2 实验原料及方法

4．2．1 实验材料及试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 相分离诱导因素的确定

4．2．4 共混膜的制备

4．2．5 膜性能测试(见3.2.4)

4．3 结果与讨论

4．3．1 添加剂PEG对PVC/PVDF/PMMA共混体系相分离方式的影响

4．3．2 相分离方式对共混膜的形态结构的影响

4．3．3 不同相分离法对共混膜孔隙率的影响

4．3．4 相分离方式对共混膜水通量和截留率的影响

4．3．5 相分离方式对PVC/PVDF/PMMA共混膜机械性能的影响

4．4 本章小结

第五章 无机小分子对PVC/PVDF/PMMA共混体系膜性能的影响

5．1 引言

5．2 实验原料及方法

5．2．1 实验材料与试剂(见2.4.1.1)

5．2．2 实验仪器(见2.4.1.2)

5．2．3 小分子溶胶的制备

5．2．4 共混膜的制备

5．2．5 膜性能测试(见3.2.4)

5．3 结果与讨论

5．3．1 无机小分子物质对共混膜的形态结构的影响

5．3．2 无机小分子物质对共混膜纯水通量的影响

5．3．3 无机小分子物质对共混膜断裂强度的影响

5．3．4 无机小分子物质对共混膜断裂伸长倍数的影响

5．3．5 无机小分子物质对共混膜亲水性的影响

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文