基于聚多巴胺/聚乙烯亚胺共沉积技术的聚合物膜表界面工程

摘要

聚合物膜表界面工程是实现分离膜高性能化与多功能化的重要途径。以多巴胺沉积为代表的贻贝仿生沉积技术是一种新兴且极富潜力的表面工程手段。传统的多巴胺沉积存在时间长、均匀性与稳定性差、亲水化效果不理想等问题，极大限制了该技术在膜表面工程上的应用。本文发展了一种多巴胺/聚乙烯亚胺共沉积改性技术，解决了多巴胺沉积中的诸多问题。在此基础上，该技术被分别用于膜表面可控改性、分离层构建及有机-无机复合膜界面调控三个方面，所制备的分离膜被应用于油水分离、CO2固定、膜蒸馏、纳滤等领域。本文具体研究内容如下:
　　发展了多巴胺/聚乙烯亚胺共沉积改性技术，初步揭示了其沉积机理:多巴胺与聚乙烯亚胺通过迈克尔加成或席夫碱反应形成类似于表面活性剂的复合物，并向气/液或液/固界面迁移、沉积;比较了共沉积法与传统多巴胺沉积在聚丙烯微孔膜表面改性上的差异，表明该技术在沉积速率、均匀性、亲水性、稳定性、重复利用性上具有显著优势;研究了聚乙烯亚胺分子量与溶液组成对沉积行为的影响，确定了最优的聚乙烯亚胺分子量(600 Da)及溶液中多巴胺/聚乙烯亚胺质量比（1∶1至2∶1）。
　　发展了单面共沉积技术用于制备具有非对称浸润性的Janus平板膜与中空纤维膜，研究了平板膜表面的液滴传递现象;设计了Janus平板膜鼓泡器并用于CO2的酶法固定，其亲水侧表现出水下超疏气性，有利于降低气泡脱离尺寸，疏水侧有助于气体进入膜孔，降低操作能耗;将Janus中空纤维膜用于直接接触式膜蒸馏，其不对称结构在降低传质阻力的同时保证了传热阻力，使膜蒸馏性能显著提升。
　　发现并研究了多巴胺/聚乙烯亚胺溶液的界面成膜行为，表征了薄膜两侧在物理化学性质上的不对称性;发展了气/液界面辅助薄层复合膜制备技术，制备了厚度约60 nm的荷正电纳滤膜，研究了制备条件对复合膜结构与性能的影响。
　　完善了仿生矿化膜构建模型，以聚多巴胺/聚乙烯亚胺涂层为中间层，利用仿生矿化过程制备了SiO2与ZrO2水合物矿化膜，探索了制备条件对膜结构的影响，表征了膜的超亲水/水下超疏油性，其被用于水包油乳液的分离，表现出优异的分离性能及抗污染能力;ZrO2水合物涂层可增强膜的结构刚性，从而提高其抗卷曲性与热稳定性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物膜的表面与界面

1．2．1 膜表面改性的原理与方法

1．2．2 表界面性质对膜性能的影响

1．3 有机-无机复合膜的表面与界面

1．3．1 有机-无机复合界面的形成与调控

1．3．2 复合膜表面与界面对膜性能的影响

1．4 贻贝仿生化学对分离膜表界面性质的调控

1．4．1 贻贝仿生表面修饰

1．4．2 聚多巴胺对分离膜表界面性质的调控

1．5 课题提出

1．6 研究内容

1．6．1 多巴胺／聚乙烯亚胺共、沉积体系的建立与优化

1．6．2 共沉积技术用于聚合物膜非对称修饰

1．6．4 共沉积技术用于有机-无机复合膜界面调控

第二章 实验部分

2．2 实验仪器设备

2．3 材料制备

2．3．1 多巴胺／聚乙烯亚胺共沉积法

2．3．2 聚多巴胺梯度表面的制备

2．3．3 聚多巴胺／聚乙烯亚胺自支撑膜的制备

2．3．4 聚多巴胺／聚乙烯亚胺薄层复合膜的制备

2．3．5 单面共沉积法制备Janus平板膜

2．3．6 单面共沉积法制备Janus中空纤维膜

2．3．7 氧化硅仿生矿化膜的制备

2．3．8 氧化锆水合物仿生矿化膜的制备

2．4 材料结构性质表征

2．4．1 表面结构

2．4．2 表面化学组成

2．4．3 表面浸润性

2．4．4 表面荷电性

2．4．5 结构稳定性

2．4．6 击穿压强

2．4．7 涂层稳定性

2．5 材料应用性能评价

2．5．1 纯水通量的测定

2．5．2 蛋白阻抗性评价

2．5．3 纳滤性能评价

2．5．4 鼓泡性能与二氧化碳固定性能评价

2．5．5 膜蒸馏性能评价

2．5．6 油水分商性能评价

第三章多巴胺／聚乙烯亚胺共沉积体系的建立与应用

3．1 引言

3．2 多巴胺／聚乙烯亚胺共沉积机理

3．2．1 多巴胺与聚乙烯亚胺的反应

3．2．2 聚多巴胺／聚乙烯亚胺涂层粘附机理

3．2．3多巴胺／聚乙烯亚胺溶液的气／液界面成膜行为

3．3 聚多巴胺／聚乙烯亚胺在聚丙烯微孔膜表面的共沉积

3．3．1 表面形貌

3．3．2 表面化学组成

3．3．3 表面浸润性

3．3．4 沉积速率与膜通量

3．3．5 涂层稳定性

3．3．6 溶液重复使用性

3．4 多巴胺／聚乙烯亚胺共沉积的影响因素

3．4．1 聚乙烯亚胺分子量对共沉积过程的影响

3．3．2 多巴胺／聚乙烯亚胺比例对共沉积过程的影响

3．5 聚多巴胺／聚乙烯亚胺改性聚丙烯膜的服役性能

3．5．1 阻抗蛋白吸附

3．5．1 油水分离

3．6 本章小结

第四章 聚多巴胺／聚乙烯亚胺涂层用于非对称膜表面构建

4．1 引言

4．2 单面沉积技术用于Janus平板膜与中空纤维膜的制备

4．2．1 Janus平板膜的制备及其性质

4．2．2 Janus中空纤维膜的制备及其性质

4．3 Janus平板膜在鼓泡过程中的应用

4．3．1 Janus膜鼓泡器的制备与性质

4．3．2 鼓泡过程中气泡在膜表面的受力分析

4．3．3 Janus鼓泡器的性能与应用

4．4 Janus中空纤维膜在直接接触式膜蒸馏中的应用

4．4．1 Janus膜在膜蒸馏中的传质与传热过程分析

4．4．2 膜蒸馏性能

4．5 聚多巴胺用于材料表面的梯度改性

4．5．1 聚多巴胺梯度表面的形成过程与机理

4．5．2 聚多巴胺梯度表面的性质

4．3 本章小结

第五章 聚多巴胺／聚乙烯亚胺的薄层复合膜的制备与应用

5．1 引言

5．2 聚多巴胺／聚乙烯亚胺自支撑膜的性质与应用

5．2．1 薄膜的形成机理与生长过程

5．2．2 反应条件对自支撑膜形成过程的影响

5．2．3 自支撑膜的性质与后功能化

5．3 气-水界面制备聚多巴胺／聚乙烯亚胺薄层复合膜

5．3．1 复合膜的形成过程

5．3．2 复合膜的结构与性质

5．3．3 复合膜的纳滤性能

5．4 本章小结

第六章 聚多巴胺／聚乙烯亚胺用于有机-无机复合界面调控

6．1 引言

6．2 仿生矿化膜的构建模型

6．3 氧化硅矿化膜的创备与应用

6．3．1 氧化硅矿化膜的构建与表面性质

6．3．2 二氧化硅矿化膜在油水分离中的应用

6．4 氧化锆水合物矿化膜的制备与应用

6．4．1 氧化锆水合物矿化膜的构建与表面性质

6．4．2 氧化锆水合物矿化膜的油水分离性能

6．4．3 氧化锆水合物矿化膜的结构稳定性

6．5 本章小结

全文结论

论文创新点

不足与展望

参考文献

作者简介及博士期间相关成果