聚二甲基硅氧烷改性膜的制备与应用研究

作     者：黄秋华 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊晓鹏

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：分离膜 聚二甲基硅氧烷 接枝反应 相转化法 功能化 喷涂法 

摘      要：膜分离技术具有分离效率高、低能耗等优点,已广泛应用于医药、食品、化学、环保等领域。为便于工业化和大规模运用,选择恰当的膜材料是科学家和工程技术人员重点关注内容之一。聚二甲基硅氧烷(PDMS)廉价,且具有高附着力、稳定的化学物理性、低表面能等优点,是制备分离膜的重要原料之一。然而,PDMS膜强度较低,独立使用往往难以实现预期目标,因而常需要对PDMS膜进行改性。常见的PDMS膜改性方法有本体改性、表面改性和其他改性技术,例如与其它高分子共混、共聚、接枝、制备互穿聚合物网络以及与无机粒子复合等。本文通过自由基反应诱导PDMS与聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)发生接枝反应,然后结合蒸气诱导相分离(VIPS)和非溶剂诱导相分离(NIPS)的方法制备PDMS改性膜材料;分析聚合物组成、相对湿度、空气暴露时间等因素对复合膜形貌的影响。另外,将PDMS与盐酸处理后的NaY型沸石复合,通过喷涂法制备具有喹啉吸附性能和油水分离性能的复合涂层膜,并探究了浆料组成对膜形貌和性能的影响。同时,进一步研究了 PDMS改性膜在分离领域的应用。具体研究摘要如下:聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)接枝聚二甲基硅氧烷改性膜的制备及其蒸汽渗透应用本部分工作尝试通过自由基诱导接枝的方式,将与PVDF-HFP不相容的PDMS接枝到PVDF-HFP上,制备接枝产物PVDF-HFP-g-PDMS。再依次通过溶液流延、蒸气诱导相分离和非溶剂诱导相分离的过程,制备PDMS改性膜材料。采用扫描电镜、能谱分析,研究了改性膜的微观结构和组成,从而提出了 PDMS与PVDF-HFP接枝的可能反应机理。通过调控膜的制备条件如聚合物组成、相对湿度、空气暴露时间等因素,获得并优化改性膜的制备。另外,根据改性膜的力学性能和润湿性测试结果,说明PDMS的引入对PVDF-HFP膜材料性能的影响较小。采用制备的改性膜对乙醇和水进行蒸汽渗透分离,其分离因子可达21.2,渗透通量达1111 g/(h·m2),由此该改性膜材料在气体分离领域具有应用前景。聚二甲基硅氧烷/NaY型沸石复合涂层膜的制备及其油水分离和喹啉吸附性能本部分工作首先用盐酸改性NaY型沸石,再将其加入PDMS溶液中制得均匀的悬浊液。采用喷涂法将这种混合悬浊液直接喷涂到不锈钢网上制备具有油水分离和吸附喹啉性能的复合涂层膜。通过扫描电镜,研究了 PDMS:NaY型沸石的比例对膜形貌的影响。当PDMS:NaY型沸石质量比为50:50时,复合涂层膜表面有较多裸露的沸石。改变NaY型沸石占正己烷的含量比,制备不同的复合涂层膜。所制备的复合涂层膜用于喹啉的吸附测试,发现具有较高的吸附率,最高可达26.5%。将吸附在复合涂层膜上的喹啉脱附,并再次用于喹啉吸附,经过三次重复利用后,复合涂层膜对喹啉的再次吸附率仍达7%,表明其具有可重复利用性。另外,对于所制备的复合涂层膜进行油水分离,其油水分离效率达98.4%。这些结果表明,本研究所制备的聚二甲基硅氧烷/NaY型沸石复合涂层膜在油水分离同时脱除油相中的污染物方面具有潜在的应用前景。聚二甲基硅氧烷/NaY型沸石复合涂层织物的制备及其乳液分离和喹啉吸附性能本部分工作是采用喷涂法将上一章节制备的NaY型沸石与PDMS的均匀悬浊液喷涂到聚丙烯(PP)无纺布上,成功制备了具有乳液分离和喹啉吸附性能的复合涂层织物。与上一节研究内容相似,PDMS:NaY型沸石的比例对复合膜的形貌有较大影响。当PDMS:NaY型沸石质量比为50:50时,所制备的复合涂层织物表面明显有较多裸露的沸石。改变NaY型沸石占正己烷的含量比,制备不同的复合涂层织物。将复合涂层织物用于吸附喹啉测试,发现有一定的吸附效果,吸附率可达9.4%。复合涂层织物经过喹啉脱附处理后,再用于喹啉吸附,经过三次重复利用后,对喹啉的再次吸附率仍保持6%左右,说明其具有一定的可重复性。复合涂层织物用于油包水乳液分离,结果表明该复合涂层织物具有优异的乳液分离效果。综上,本研究所制备的聚二甲基硅氧烷/NaY型沸石复合涂层织物在油包水乳液分离同时脱除油相中的污染物方面具有潜在的应用前景。