第五章高分子功能膜材料.ppt

第五章  高分子功能膜材料 第一节 高分子功能膜材料概述 膜是一种二维材料．广泛存在于自然界，起着分隔、分离和选择性透过等重要功能。 本章将要介绍的高分子功能膜属于特殊性质膜，主要表现在对某些物质有一定选择透过性。 高分子功能膜是一种重要的功能材料，利用其在不同条件下表现出的特殊性质，已经在许多领域获得应用，而且具有巨大潜在应用前景。 一、高分子功能膜材料的发展与现状 1846年， Schonbein舒贝因用硝酸纤维素制作了有实用意义的气体分离膜用于混合物分离。 本世纪20年代，人工合成聚合物的出现，为膜科学的发展提供了丰富的物质基础。 随着聚合物分子结构与膜的形成和功能之间关系的研究，建立了膜科学。 作为分离用膜，两个最重要的指标是膜的透过性和选择性。 透过性： 是指测定物质在单位时间透过单位面积分离膜的绝对量。标志膜分离速度。 选择 是指在同等条件下测定物质透过量与参考物质透过量之比。标志膜分离质量。 1935年Teorell发明了有离子选择性透过能力的离子交换膜，并在1949年由Juda和McRae麦克蕾完成实用化过程。 l 927年微滤膜在德国发明，1950年在美国实现工业化生产。 1960年以来，膜科学进入了黄金发展时期，在这一时期中，各种各样的膜材料大量涌现，人们对膜科学的认识不断加深，研究手段不断提高，重要的是膜材料大面积进入实用化、工业化。 二、膜分离机制和分离过程 膜分离作用主要依靠过筛作用和溶解扩散作用两种。 二、膜分离机制和分离过程 溶解扩散作用： 当膜材料对某些物质具有一定溶解能力时，在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动，从膜的一侧扩散到另一侧，再离开分离膜。 二、膜分离机制和分离过程 分离过程不能自发完成，需要有外力的参与，这类外力包括浓度差驱动力、压力驱动力和电场驱动力。 浓度差驱动力：浓度不同的两种液体相接触时，浓度高的液体内的成分将自发向低浓度一端扩散运动，这种驱动力称为浓度差驱动力。 压力驱动力：当膜两侧施加的压力不同时，压力高一侧的物质将趋向于通过膜到达压力低的一侧，这种驱动力称为压力差驱动力。 电场驱动力：当膜的两侧施加定向电场时，混合物中的带电颗粒将受到电场力的驱动，向带有相反电荷的电极方向移动，并趋向于透过分离膜，这种膜驱动力称为电场驱动力。 三、高分子功能膜的结构与性质的关系 四、高分子功能膜的分类 纳滤(Nanofiltration UF)膜 多孔膜的分离特性示意图 微滤（MF） 第二节 高分子功能膜的制备方法 制备方法包括膜制备原料的合成、膜的制备、膜功能的形成。 除使用单体进行原位聚合直接形成功能膜外，膜的制作工艺包括聚合物合成、聚合物溶液制备、膜成形和膜的功能化四个步骤。 一、聚合物溶液的制备 1．溶剂的选择和作用 聚合物分散溶剂： 溶剂分子与聚合物分子之间作用力大大超过聚合物分子间作用力，溶剂有能力溶解聚合物成均一分子分散相，又称为聚合物良溶剂。 溶胀剂： 溶剂分子与聚合物分子之间的作用力与聚合物分子之间作用力处在同一个数量级，这种溶剂一般仅能使聚合物溶胀，不能得到分子分散状态的溶液，称为该聚合物的溶胀剂。在聚合物膜制备过程中作为成孔剂使用。 非溶剂： 溶剂分子与聚合物分子之间的作用力远远小于聚合物分子之间作用力，在聚合物溶液中加入少量该种溶剂后能减弱聚合物分子与溶剂分子间作用力，使聚合物析出凝结的溶剂。普遍用来使聚合物发生相转变并成膜固化。 原因 如果需要使用的浓度超过50％或者聚合物的黏度较大，需要采用适当提高体系的温度来增加溶解度和流动性。由于聚合物的分子量较大，分子间的相互作用力较强，在一般溶剂中的溶解性较差，不易获得较高浓度。 ③根据溶剂与溶质的化学性质 溶剂分子中有能够增强与聚合物分子相互作用的结构因素时，有利于增强溶解能力。 能够形成氢键结构、络合物配位键结构、离子键的结构。 (3)溶剂溶解能力的测定 溶液的粘度 溶液的浊度 非溶剂滴定测定作用参数 总结： 共聚物的溶剂选择范围要比相应的均聚物共混体系要宽，在同一溶剂中，嵌段聚合物的溶解度往往高于同分子量的均聚物。 (5)离子型聚合物溶液的制备 离子型聚合物的溶解性能与所选溶剂的介电常数和极性强弱有较大关系，比较容易溶解在水中，或者加入某些无机盐的高介电常数有机溶剂中。 1．相转变机理 从溶液向溶胶转变是制备多孔膜的关键步骤，而双分散相液体是必经的一步。 选择两种对聚合物溶解性完全不同的良溶剂和非溶剂，非溶剂的沸点高于良溶剂30℃左右； 制备聚合物溶液，将聚合物溶解在溶解力强的溶剂中，再加入一定量的非溶剂调节聚合物的饱和度，制成的一相或者双分散相溶液； 高分子溶液注膜后，提高温度，低沸点的溶剂