第2章节膜的形态结构-材料.ppt

第二章 膜的形态结构、材料与制备 膜是膜分离过程的关键，膜的结构、膜材料的选择与膜的制备，决定了膜的渗透性能与分离性能。 膜材料 膜的形态结构及其测定 有机膜的制备 有机膜的成型工艺 无机膜的制备 2.1 膜材料 可以是无机的，也可以是有机的。 目前应用的膜材料以有机材料为主，占总量的90%以上 无机膜的耐热性好，化学稳定性好，抗微生物能力强，机械强度大，不易污染分离体系等优点，越来越受到重视。 现在无机膜大约以二倍于有机膜的速度增长，年增长率约为20%-30%。 表2-1 主要膜材料极其应用 膜材料的选择 2.2 膜的形态结构及其测定 膜的结构： 形态结构 结晶态和分子态结构 膜的形态结构主要研究现察膜的断面与表面； 膜的结晶态和分子态结构主要研究膜表面的高分子聚集态和高分子链节的取向。 研究膜结构的目的 在于解膜结构与膜性能的关系，以便指导配制铸膜液，选择制膜的工艺条件，从而改进膜的性能。 本章主要涉及膜的形态结构。 2.2.1 膜的形态结构 不同形态结构的膜，具有不同的性能和不同的用途。 膜的形态结构： 均相和异相 对称和非对称 致密和多孔以及复合膜 膜的形态结构 均相和异相膜 对称和非对称膜 致密膜和多孔膜 复合膜 各种孔结构 孔径、孔径分布、孔密度和孔隙率 膜厚度 均相和异相膜 膜材料在膜内呈均匀的单相存在，则称为均相膜。 形成膜的膜材料在膜内不是呈单相存在的膜叫异相膜。 异相膜结构示意图由离子交换树脂粉加合剂和增塑剂热压形成的异相膜。 致密膜和多孔膜 致密膜是指结构最紧密的膜，膜材料以分子状态排布，其膜孔径小于1.5nm。 多孔膜是结构较疏松的膜，孔径范围在3～100nm之间，膜材料以聚集的胶束存在和排布。 对称和非对称膜 对称是指沿膜的厚度方向结构均一、同性，对称膜多孔的，亦可致密的。 非对称膜是由同种材料制成，沿膜厚度方向上呈不同的结构，一般在膜的表面是致密的或极细孔的薄的表层，约为0.25~1?m，相当于膜厚的1/100左右，表层下面是大孔的支撑层，两层之间多半还存在着过渡层。 对称膜 不对称膜 复合膜 复合膜一般是指在对称或非对称的底膜上，复合上一层很薄的、致密的、有特殊功能（分离或堵孔）的另一种材料的膜层，厚度为0.01～0.1μm。 各种孔结构 孔的类型： 主要有网络孔，聚集孔、海绵状孔、指状孔、针状孔、密闭孔和开放孔等。 网络孔的孔径在1nm以下，它是由溶剂和溶胀剂在胀大的聚合物分子间的网络中形成的孔。 聚集孔一般孔径约2~5nm，是由聚合物分子的聚集体之间的间隙形成的。 图2-2 指状孔结构膜扫描电镜照片 图2-3 海绵林孔结构膜扫描电镜照片 孔径、孔径分布、孔密度和孔隙率 膜的孔径是膜上小孔的直径，有最大孔径和平均孔径之分，它们都在一定程度上反映了孔的大小，但都有其局限性。 孔径分布是描述孔径变化范围的参数，定义为某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数。 孔径分布在一定程度上体现了膜的好坏，孔径分布越窄越好。 孔密度是指单位膜面积上孔的数目。 孔隙率是指单位膜体积中，孔所占体 积的百分数。 膜厚度 膜的厚度亦是描述膜的一个重要参数，有整个膜的厚度和膜某个层次厚度之分。 2.2.2 膜形态结构的测定 电子显微镜 AFM (原子力显微镜) 膜厚度的测量 孔隙率的测定 孔径和孔径分布的测定 电子显微镜 电子显微镜可以对膜表面和断面进行较直现的观测，可研究膜的形态、孔的存在、大小、形状和孔分布。 膜厚度的测量 将已知面积的平板膜放入装有一定体积水的容器中，从水的体积变化，可以计算出膜的整体平均厚度，亦可直接用显微镜、千分尺等测量。 非对称膜表皮厚度可以用等离子蚀刻法测定。首先用相应的均质膜称重评估单位时间剥去的厚度，然后用等离子逐步蚀刻非对称膜，蚀刻一段时间后用电镜扫描，当孔径和孔隙率突然变化时，表明整个表皮层全被剥去。如图2-4所示，当8分钟蚀刻后，PPO超滤膜的表皮层全被剥去，重量法评估每分钟剥去0.04μm，这样PPO膜的表皮厚度为 0.3μm 。 PPO 超滤膜表皮等离子蚀刻电镜图 PSF超滤膜等离子蚀刻电镜图 孔隙率的测定 孔径和孔径分布的测定 用透射电子显微镜（分辨率可达5