TIPS法制备丙烯腈-丙烯酸甲酯共聚物微孔膜的微观结构与性能

摘要

聚丙烯腈(PAN)具有耐惰性溶剂、耐细菌侵蚀性、化学稳定性好、机械性能优良等特点，已成为目前应用非常广泛的聚合物膜材料之一。PAN的结构特殊，目前主要采用传统的非溶剂致相分离(NIPS)工艺制备微孔膜。但是NIPS法制备PAN微孔膜往往需要大量的溶剂，会造成溶剂的浪费和环境污染，且制备的微孔膜力学性能较差。与传统的NIPS工艺相比，热致相分离(TIPS)工艺成膜过程更易控制，且制备的微孔膜力学性能较好。传统的TIPS法采用单一的稀释剂，由于单一的稀释剂与聚合物组成的二元体系两者间的相容程度已经固定，而相容性的差异对微孔膜的结构及性能有很大影响。本文选用结晶性的碳酸乙烯酯(EC)与柠檬酸三乙酯(TEC)作为复配稀释剂，通过调节复配稀释剂间的比例调节其与AN-MA共聚物的相互作用力。
　　单一的PAN膜较脆，实用性较差，本文采用柔性第二单体丙烯酸甲酯(MA)与丙烯腈(AN)共聚削弱氰基间的偶极作用力，制备可熔融AN-MA共聚物，并以此为基体，采用TIPS法制备AN-MA微孔膜。本文详细研究了共聚物中MA含量、稀释剂配比、AN-MA浓度、冷却速率等对微孔膜结构与性能的影响。实验结果发现:
　　以投料摩尔比为85/15的可熔融AN-MA共聚物为基体，采用TIPS法制备85/15AN-MA微孔膜时，较慢的冷却速率有利于发生TIPS相分离过程，但所成膜表面的皮层较厚，不利于膜水通量的提高;而快的冷却速率体系同时发生TIPS和NIPS过程，制备的微孔膜除了具有TIPS的微孔结构外，断面还产生了指状孔结构，有效地改善了微孔膜的致密皮层。同时，降低复配稀释剂中EC含量和聚合物浓度，均有利于膜水通量的提高，复配稀释剂中EC含量为65 wt.％，聚合物浓度为15 wt.％时，AN-MA微孔膜的水通量最高可达18.2 L/(m2口h）;
　　改变MA的投料量，制备了80/20AN-MA和75/25AN-MA共聚物，并以此为基体，以0℃冰水浴为凝固浴，采用TIPS法制备了系列AN-MA微孔膜。研究发现降低复配稀释剂中EC含量和AN-MA浓度有利于发生旋节线分相，膜孔结构表现为连通的树枝状结构;反之，其相分离机制为成核-生长机制，膜孔结构表现为开放/封闭式的胞腔状孔结构;
　　随着聚合体系中MA含量的增加，AN-MA微孔膜的水通量先增加后减小，而微孔膜的力学性能逐渐增加。综合考虑，当MA的含量为20 mol％时，微孔膜的性能达到最优。P2浓度为9wt.％，复配稀释剂中EC含量为60 wt.％时的微孔膜水通量约为66.0 L/(m2h)，断裂强度和断裂伸长率分别为4.6 MPa和43.8％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 膜分离技术概述

1．1．1 膜分离机理及类型

1．1．2 膜的制备方法

1．2 热致相分离(TIPS)

1．2．1 热致相分离概述

1．2．2 热致相分离法制备微孔膜的热力学理论

1．2．3 热致相分离法制备微孔膜的动力学理论

1．2．4 热致相分离法制备微孔膜的影响因素

1．3 PAN微孔膜研究进展

1．3．1 NIPS法制备PAN微孔膜

1．3．2 TIPS法制备PAN微孔膜

1．4 微孔膜的应用

1．4．1 膜分离技术应用领域概况

1．4．2 膜分离技术开发现状与前景

1．5 课题的提出、研究内容、创新点与课题意义

1．5．1 课题的提出

1．5．2 研究内容

1．5．3 创新点

1．5．4 课题意义

第二章 TIPS法制备AN-MA共聚物微孔膜

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 原料及试剂

2．2．2 仪器与设备

2．2．3 可熔融AN-MA共聚物的制备

2．2．4 TIPS法制备85／15AN-MA共聚物微孔膜

2．2．5 85／15AN-MA聚合物及微孔膜的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 85／15AN-MA共聚物

2．3．2 85／15AN-MA微孔膜

2．4 本章小结

第三章 第二单体含量对AN-MA微孔膜结构与性能的影响

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 原料与试剂

3．2．2 仪器与设备

3．2．3 可熔融80／20和75／25 AN-MA共聚物的制备

3．2．4 TIPS法制备AN-MA共聚物微孔膜

3．2．5 不同MA含量的聚合物及相应聚合物微孔膜的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 AN-MA共聚物

3．3．2 MA含量对AN-MA微孔膜结构的影响

3．3．3 AN-MA微孔膜的孔径及孔径分布

3．3．4 MA含量对AN-MA微孔膜水通量和孔隙率的影响

3．3．5 MA含量对AN-MA微孔膜力学性能的影响

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢