引发式化学气相沉积法制备气体阻隔与分离薄膜

摘要

高分子薄膜被广泛用于食品包装、电子封装、金属防护和节能等各领域。随着新型制备方法的开发，薄膜的应用领域和价值也在不断拓展和提高。薄膜的性能除受材料影响外，制备方法尤为重要，因此设计操作简便、环保节能、功能多元化的薄膜成为了关键。本文主要利用引发式化学气相沉积（iCVD）方法制备了交联度可控的高分子薄膜，对其在气体、水溶性腐蚀性离子的阻隔性能及其对金属防护性能等方面的应用进行了研究，并初步探究了薄膜的气体分离性能。 首先，在铜基底表面制备了具有致密聚二丙烯酸乙二醇酯（PEGDA）底层与二丙烯酸乙二醇酯与全氟癸基丙烯酸酯共聚物（P(PFDA-co-EGDA)）表层的双层结构薄膜。通过控制沉积条件，成功调控上层薄膜形貌，得到具有锥状纳米结构的表层薄膜。薄膜的水接触角为159°，且能在溶液中浸泡168小时后仍保持超疏水状态。氧气透过测试表明PEGDA薄膜是有效的氧气阻隔层，氧气的透过率达到0.0066Barrer，仅为商用PET包装薄膜的1/16。将双层结构薄膜置于腐蚀环境中进行防腐蚀测试，发现其在3.5wt%NaCl溶液中浸泡168小时后仍能保持较好的防护作用。相应地，该薄膜下的铜片腐蚀速率仅为2.19×10-7毫米/年。 其次，利用iCVD法将甲基丙烯酸异氰酸酯（IEM）与4-氨基苯乙烯（4-AS）共聚制备交联薄膜（P(IEM-co-AS)）。IEM中的异氰酸酯基可与4-AS中的氨基发生交联反应，而随后的退火处理使聚合物反应更充分。通过调节单体流量，可以控制两种成分在薄膜中的实际含量比。利用气体透过实验以及电化学测试来探究薄膜的阻隔性以及对金属被腐蚀的保护行为。实验结果发现IEM与AS实际含量比接近的P(IEM-co-AS)聚合物薄膜对氧气的阻隔比PS基底薄膜提高了4700倍，对CH4与N2的阻隔也有明显的提高。即使薄膜厚度仅有200nm，退火后的样品阻抗值达到了~108Ωcm2，具有良好的金属防护性。纳米压痕测试展示了具有交联网络结构的薄膜具有比常见高分子薄膜更大的杨氏模量，结果与木材相当。 气相法制备高分子薄膜的一大优势是可以原位合成高交联度薄膜，而高交联度薄膜的刚性结构与致密性可阻隔部分较大尺寸气体分子而允许小体积分子透过。基于此，最后利用iCVD方法分别制备了聚二丙烯酸乙二醇酯与聚对乙烯基苯（PDVB）均聚物薄膜。通过两者对CH4，He，CO2，N2，H2单组分以及双组分理想分离效率的分析，发现PEGDA薄膜具有相对较小的气体透过率，且对He/CH4和H2/N2有较好的理想分离效率；相比而言PDVB膜对各类气体透过稍大，气体分离效果比PEGDA膜更好。无溶剂法制备的气体分离膜为气体分离提供了一种崭新的气体分离薄膜制备途径。 本文通过以上三个工作探究了采用iCVD法制备的薄膜在气体阻隔、金属防护及气体分离等方面的应用，展示了iCVD作为一种新型的高分子薄膜制备方法在这些领域的广泛潜在应用前景。

目录

声明

引言

1绪论

1.1阻隔与分离高分子薄膜

1.1.1气体阻隔材料的研究

1.1.2薄膜在气体阻隔上的应用

1.1.3气体分离研究

1.1.4气体分离薄膜的工业应用

1.2气体阻隔与分离薄膜制备法

1.2.1气体阻隔膜制备研究进展

1.2.2气体分离膜制备法

1.3课题研究内容

2具有超疏水纳米结构的双层薄膜的制备及金属防护的应用

2.1引言

2.2双层薄膜的制备

2.2.1实验材料及设备

2.2.2基底预处理

2.2.3 iCVD法制备致密层（PEGDA）和纳米结构层P(EGDA-co-PFDA)

2.3表征及测试

2.3.1成分及形貌分析

2.3.2表面润湿性

2.3.3气体透过率

2.3.4电化学测试

2.4结果与讨论

2.4.1薄膜成分表征及形貌分析

2.4.2气体阻隔性

2.4.3 薄膜的防水性测试

2.4.4 PEGDA/双层薄膜的腐蚀抑制性能

2.4.5 腐蚀后样品表征

2.5小结

3交联聚合物薄膜结构调控及其在阻隔防护方向的应用

3.1引言

3.2交联聚合物薄膜的制备

3.2.1实验材料

3.2.2薄膜结构调控及制备

3.3表征及测试

3.4 结果与讨论

3.4.1不同化学组分薄膜的FTIR比较

3.4.2氧气及对其它气体的阻隔性

3.4.3对金属腐蚀的防护

3.4.4薄膜的机械性能与均匀性

3.5小结

4引发式化学气相沉积法制备聚合物薄膜与其在气体分离上的探究

4.1引言

4.2聚合物薄膜的制备

4.2.1实验材料及设备

4.2.2不同聚合物薄膜的制备

4.2.3测试样品的准备

4.3材料表征及测试

4.4结果与讨论

4.4.1 FTIR结果分析

4.4.2聚合物薄膜有效厚度

4.4.3 聚合物薄膜对不同气体的透过

4.4.4气体分离效果

4.5小结

5总结

参考文献

在学研究成果

致谢