超分子作用在均孔膜成膜过程中的应用及机理研究

作     者：朱国栋 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高从堦;易砖

授予年度：2020年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0703[理学-化学] 

主      题：均孔膜 嵌段共聚物 自组装 超分子作用 SNIPS 

摘      要：膜分离是一种高效、低能耗、现代化的新型分离技术。然而,膜分离过程中普遍存在渗透性和选择性难以兼顾的问题,这一现象被称为Trade-off效应。提高孔隙率、实现孔径的均一化是改善Trade-off效应的重要途径之一。因此,均孔膜的出现是膜研究发展的必然趋势。近年来,基于嵌段共聚物(BCPs)的均孔膜被认为是新一代均孔膜的代表,而采用自组装与非溶剂诱导相分离法相结合策略(SNIPS)制备均孔膜的方法因其可规模化而得到了广泛关注。然而,由于嵌段共聚物自身性质的限制,在均孔膜制备过程中仍有许多问题亟待解决。例如:难以采用嵌段共聚物制备得到孔径小于10 nm的均孔膜;均孔结构不稳定,会随挥发时间发生连续变化,为生产过程中的稳定制备带来了较大困难;一些具有特殊功能,但相分离趋势相对较弱的嵌段共聚物难以自组装制备均孔膜等。这些问题一定程度上限制了均孔膜在实际中的应用。添加剂与嵌段共聚物之间的相互作用是调节自组装和均孔结构形成的有效手段。基于此,本论文分别选用了三类具有特定结构的添加剂对嵌段共聚物自组装过程进行调节。第三章采用磺化聚乙二醇(SPEG)为添加剂,以分子量为5.9 kg/mol的聚苯乙烯-嵌段-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-b-P4VP)为成膜材料,利用SPEG与P4VP嵌段之间的离子键作用促进嵌段共聚物的组装,成功制备了孔径约7.3 nm的均孔膜并用于分离尺寸相近的蛋白质分子,为均孔膜在分子精密分离领域中的应用提供了可能。第四章借助二元酸对嵌段共聚物相分离结构的稳定作用,将PS-b-P4VP均孔膜表面均孔结构存在的时间窗口拓宽至200 s以上,为均孔膜的缺陷控制和稳定制备提供了可行方案。第五章采用聚丙烯酸促使弱分相能力的聚苯乙烯-嵌段-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PS-b-PNIPAM)自组装成功制备了均孔膜,解决了低χ值嵌段共聚物难以组装形成均孔膜的难题。研究中采用了小角度X射线散射(SAXS)、核磁共振氢谱(H-NMR)以及傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等手段原位监测了添加剂与嵌段共聚物之间的相互作用。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)对膜结构进行观测以及量化分析。本论文分别从离子键、氢键及均聚物添加剂研究了添加剂对嵌段共聚物组装过程的调控作用,发现所采用的添加剂在均孔膜制备过程中起到了促进嵌段共聚物微相分离并稳定微相结构的作用。其原因在于添加剂与嵌段共聚物之间的超分子作用将添加剂动态地连接到嵌段共聚物当中,形成新的“超分子嵌段共聚物,从而有效解决原有嵌段共聚物相分离能力弱、自组装结构不稳定等问题。本研究所得结论为嵌段共聚物均孔膜的可控制备和性能提升提供了有益参考。