仿生嵌段共聚物均孔膜的制备及其性能研究

作     者：周会君 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：伍广朋

授予年度：2020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：均孔膜 牺牲相法 邻苯二酚 仿生矿化 自组装-非溶剂诱导相分离 

摘      要：均孔膜的孔道尺寸均一、排列规整,能够突破传统分离膜选择性和渗透性的互相制约,在分离膜市场上有着广阔的应用前景。嵌段共聚物能够自组装成结构高度规整有序、尺寸易调变的分相结构,并且其组成及结构易于设计,在制备结构规整有序的多孔膜领域具有十分突出的优势。由于嵌段共聚物分离膜对聚合物材料的组成和分子量分布等要求较高,目前制备的嵌段共聚物多孔膜大多为聚苯乙烯基的两嵌段共聚物,包括聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯(PS-b-PMMA)、聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶(PS-b-P4VP、PS-b-P2VP)、苯乙烯-聚异戊二烯(PS-b-PI)、苯乙烯-聚氧化乙烯(PS-b-PEO)和苯乙烯-聚乳酸(PS-b-PLA)等。然而,聚苯乙烯机械性能差,亲水性差,以聚苯乙烯为主体相的嵌段共聚物分离膜强度有待提高,抗污染性能也十分有限,膜孔容易堵塞,导致水通量减少,进而使分离过程的能耗增加。并且聚苯乙烯缺少功能性基团,难于赋予其催化、降解等附加功能。本论文围绕这一主题设计合成了仿生嵌段共聚物并将其用于均孔膜的制备,主要内容如下: (1)利用本课题组设计的催化剂(BDI)-Zn-BSTP“一锅法合成了嵌段共聚物聚碳酸酯-聚(4-乙烯基儿茶酚缩丙酮)(PPC-b-PVCA)。(BDI)-Zn-BSTP首先引发二氧化碳和环氧烷烃的交替共聚反应,得到链末端为BSTP的聚碳酸酯(PPC-BSTP),然后用PPC-BSTP作为大分子链转移引发4-乙烯基儿茶酚缩丙酮的可逆加成-断裂链转移聚合得到目标聚合物聚碳酸酯-聚(4-乙烯基儿茶酚缩丙酮)。相比于常见的大分子链转移剂法,该合成过程简单高效,产物纯度高,并且分子量分布窄,无需纯化,可直接投入使用。 (2)利用合成的仿生嵌段共聚物聚碳酸酯-聚(4-乙烯基儿茶酚缩丙酮)制备均孔膜,并对其进行矿化修饰。聚碳酸酯-聚(4-乙烯基儿茶酚缩丙酮)两嵌段共聚物能够发生微相分离,并且聚碳酸酯链段在碱性条件下会发生水解反应生成二氧化碳和二醇,基于此可采用“牺牲相法制备嵌段共聚物均孔膜。此外,聚(4-乙烯基儿茶酚缩丙酮)链段上有缩丙酮基团保护的邻苯二酚结构,将其脱保护后可以利用邻苯二酚跟金属离子的螯合作用对膜进行仿生矿化,使得聚合物膜更加亲水,改善了聚苯乙烯基均孔膜的不足。 (3)利用可逆加成-断裂链转移法合成了仿生嵌段共聚物聚(4-乙烯基儿茶酚)-聚苯乙烯(PVC-b-PS,将其用于自组装-非溶剂诱导相分离法制备均孔膜,并探究了铸膜液浓度、溶剂组成、预挥发时间、凝固浴等因素对制备出的膜形貌的影响。