聚偏氟乙烯/聚醚酰亚胺共混膜的研究

论文摘要

膜分离技术作为一项新兴的环保低碳产业,其应用领域正日益扩大。但在膜分离实际过程中,耗材量大、膜易受到污染及其价格昂贵等不足严重地制约了膜技术的推广和发展。因此开发新型的膜材料、探索新工艺研究显得更加重要。聚偏氟乙烯(PVDF)作为一种新型的膜材料,它具备价格适中,化学稳定性好、机械强度高、易于成型、耐微生物侵蚀等优点。故它一出现就引起学术界和工业界的重视。进一步的研究发现：聚偏氟乙烯极性大、溶解性差、亲水性不足、机械强度不足,因此需要对其进行改性。目前的改性技术主要分为物理改性和化学改性：物理改性指共混改性和等离子处理；化学改性包括接枝共聚、嵌段共聚等。上述改性方法中利用溶液共混的物理改性法具有简单、操作方便等优点；它能将两种或多种具有不同物化性质而相容性较好的聚合物结合在一起,起到相互补偿的作用,从而制备出成本低廉、综合性能好的共混膜。聚偏氟乙烯具有耐酸、碱等性能,机械强度高,化学稳定性好,流变性强等特点,但亲水性差,易于结晶,玻璃化温度低,分离选择性差；聚醚酰亚胺(PEI)亲水性好,分离选择性强,且不易结晶,玻璃化温度高,流变性一般等特点。因此将PVDF与PEI共混,我们预测不但可以提高PVDF膜的成膜性能,还能改善其韧性、亲水性能及选择性能,制备出的膜具有透水性好、力学性能优异且抗污染性能强等特点。所以本课题拟用溶液共混法将PVDF和PEI进行共混,再加适当的添加剂进而制备出改性的分离膜。故本论文主要进行了以下几方面内容的研究：首先对共混体系的相容性进行了研究。首先采用目测法对PVDF/PEI体系的相容性进行了研究,结果表明：共混配比为9.5：0.5、9：1、8.5：1.5、8：2和7.5：2.5,共混体系是部分相容的。然后通过观察PVDF/PEI共混溶液的相差显微镜,对共混体系的相容性进行了研究,结果表明PVDF/PEI共混体系为部分相容性体系。随后研究采用二甲基乙酰胺为溶剂配制不同共混比的聚偏氟乙烯和聚醚酰亚胺共混浓溶液,用HAAKE RS150锥板式黏度计测量了溶液的流变性；研究了不同共混比浓溶液的流变曲线和零切黏度、非牛顿指数和粘流活化能与共混比或温度的关系。最后得到的结果表明：溶液表观粘度与切变速率基本呈线性相关性；当共混比PVDF:PEI=9:1时,零切粘度变化最大、非牛顿指数和粘流活化能取到极值。紧接着通过测量不同共混配比下共混膜的水通量和对牛血清蛋白溶液的截留率,综合两项性能来确定最仕共混比。结果发现铸膜液中PVDF/PEI的最佳共混配比为9：1,且当铸膜液质量分数为15wt%、铸膜液温度为室温的条件下制备的共混膜性能最佳。最后在确定最佳共混比下,研究添加分子量差不多的一元或多元醇,醇的类型和含量对共混膜的形态结构和膜性能的影响。实验和电电镜照片表明,在聚合物浓度不变的情况下,共混体系中分别添加相同质量分数的添加剂正丁醇、乙二醇和内三醇,结果发现乙二醇效果最好；然后改变乙二醇的质量分数,得到最佳添加量。通过上述几大步骤实验,综合考虑各项性能后得到最佳配比和工艺条件：PVDF/PEI的最佳共混配比为9：1,固含量为18wt%,适当的致孔剂聚乙烯比咯烷酮(PVP),乙二醇添加剂含量质量分数为5%;适宜的纺丝条件下制备出PVDF/PEI共混中空纤维膜性能最优。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 膜分离的技术概况
• 1.2.1 分离膜的基本定义
• 1.2.2 膜分离过程分类及特点
• 1.2.2.1 膜分离过程概述
• 1.2.2.2 膜分离过程的特点
• 1.2.3 高分子膜分离技术发展概况
• 1.2.4 高分子膜材料分类
• 1.3 PVDF膜的国内外研究现状
• 1.3.1 化学改性
• 1.3.2 物理改性
• 1.3.3 PEI的优异性能及其在膜材料中的应用
• 1.4 相转化法制备分离膜原理
• 1.5 本论文选题依据、意义及其研究方法
• 第二章 PVDF和PEI相容性和流变性能研究
• 2.1 相容性的概念
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验药品、仪器及设备
• 2.2.2 共溶剂法表征相容性
• 2.3 相分离观察
• 2.3.1 共混物的相容性
• 2.3.2 PVDF/PEI共混体系的相容性研究
• 2.4 目测法
• 2.5 PVDF/PEI共混溶液的流变性能研究
• 2.5.1 前言
• 2.5.2 实验部分
• 2.5.2.1 原材料
• 2.5.2.2 实验方法
• 2.5.2.2.1 溶液制备
• 2.5.2.2.2 测试方法
• 2.5.3 结果和讨论
• 2.5.3.1 表观粘度和剪切应力与剪切速率的关系
• 2.5.3.2 零切粘度与共混比例的关系
• 2.5.3.3 非牛顿指数与共混比例的关系
• 2.5.3.4 粘流活化能与共混比例的的关系
• 2.5.4 结论
• 第三章 PVDF/PEI平板膜的制备及其结构和性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料和试剂
• 3.2.2 测试仪器
• 3.2.3 平板膜的制备
• 3.2.4 膜性能测试
• 3.2.5 膜的孔隙率和平均孔径
• 3.2.6 膜的形态结构
• 3.3 结果与讨论
• 第四章 小分子添加剂和凝固浴对膜性能的影响
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 测试仪器
• 4.2 非溶剂添加剂对膜性能的影响
• 4.2.1 正丁醇对膜性能的影响
• 4.2.2 乙二醇对膜性能的影响
• 4.2.3 丙三醇对膜性能的影响
• 4.2.4 乙二醇添加剂制备的平板膜结构
• 4.3 凝固浴浓度对膜性能的影响
• 第五章 中空纤维膜的纺制和性能评价
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验试剂
• 5.1.2 实验仪器
• 5.1.3 收缩率的测定方法
• 5.1.4 力学性能的测试
• 5.1.5 PVDF/PE丨中空纤维膜的制备
• 5.2 中空纤维膜的性能和结构
• 5.2.1 收缩率和孔隙率
• 5.2.2 中空纤维膜的水通量和截留率
• 5.2.3 中空纤维的力学性能
• 5.2.4 中空纤维的形态结构
• 第六章 总结和展望
• 6.1 结论
• 6.2 本课题的制膜材料的确定
• 6.2.1 PVDF/PEI相容性研究
• 6.2.2 平板膜和中空纤维膜研制中最佳铸膜液组成的确定
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢