膜制备过程中聚合物溶液的相分离.pdf

国膜技术商务网（ ） 全球最大最专业的膜技术商务网站 ( 业宝典) 国膜技术商务网 2005/12 1 国膜技术商务网（ ） 全球最大最专业的膜技术商务网站 制备中聚合物溶液 的相分离过程研究概况 聚合物膜被用在很多种工业用途中，诸如微滤、超滤、反渗透及气体分离等 [1-3] 。每种用途对所用膜的材质和结构等方面都有着特定的要求。对超滤和微滤 来说，分离过滤的效率由膜的孔隙率与孔径决定；而对于气体分离，膜材质本身 的选择性和透过性则决定了气体分离的效率。孔隙率是反映膜特征的一个重要的 参数，甚至对于次层多孔而皮层无孔的气体分离膜来说也同样如此。 有很多种方法可以制备多孔聚合物膜，比如烧结、拉 、径迹刻蚀及相转化 等。膜材料的不同性质及制备条件的变化决定了膜的最终结构形态。通过控制相 分离，大多数聚合物溶液会分成两相：高 合物浓度相和低聚合物浓度相，发生 相分离后，聚合物浓相很快固化成膜，最终的膜性能强烈依赖于相分离时形成的 形态。目前，大量的研究工作重点是膜形成过程中的传质以及相分离机理比如结 晶和旋节线分离等。因为此领域范围太广，膜形成中每一个物理过程的详细的定 量的讨论以及此种技术的优缺点和不同条件怎样影响其最终膜的性能方面则不 是本文重点。 聚合物溶液可以通过很多种方式进行相分离，在详细讨论这些相分离过程之 [4-6] 前，先简短地罗列一下通过控制相分离制膜的四种主要的技术 。 † 热致相分离 （Thermally induced phase separation, TIPS ）。这种方法主要是基 于这种现象，即温度下降时溶剂质量通常会减少。诱导分层后，溶剂通常会通过 萃取、蒸发或冷冻干燥等方法去除。 [7-8] † 聚合物溶液的空气浇铸 （Air-casting of a polymer solution） 。此过程中， 聚合物通解在挥发性溶剂和低挥发性非溶剂组成的混合液中，随着溶剂的蒸发， 体系中聚合物的溶解度下降，一定程度时发生相分离。 † 水蒸气诱导沉淀（Precipitation from the vapour phase ）。此方法中，聚合物溶 液的相分离是通过非溶剂水蒸气的渗透而被诱导。 † 浸没沉淀（Immersion precipitation）。聚合物溶液在支撑体被浇铸成液态薄膜， 或通过模型挤出，随后浸入非溶剂浴中，在此过程中，良溶剂与非溶剂之间的相 互交换诱导聚合物溶液发生沉淀。 2 国膜技术商务网（ ） 全球最大最专业的膜技术商务网站 上述四种技术的差异源于去除溶剂机理的不同。 相图可以描述特定聚合物在特定溶剂中形成的溶液是否适合膜的形成。二元 相图-相界是温度和组成的函数-用来分析 TIPS 过程；而三元等温相图通常用于 描述另外几种方法时的相转化过程。 应该注意的是，相图仅仅是描述了膜形成过程中，一种聚合物溶液所能承受 的相转变。一个平衡相图提供了热力学可行的不同相转变的讯息。相分离过程的 动力学决定了热力学可行的相转变能否发生，以及发生到何种程度。膜形成过程 中，非平衡过程起了非常重要的作用。 接下来的章节中，重点将讨论相分离热力学的可行性及其涉及到的动力学。 下一节针对TIPS 过程。本质上说，TIPS 工艺比浸没沉淀过程简单得多，这有助 于基本的热力学及动力学概念的引入。浸没沉淀过程将会在第二章节讨论。其他 两种方法可利用的文献有限，因此不将详细讨论。但有关浸没沉淀以及TIPS 的 诸多讨论同样有利于更好地理解另外两种方法。浸没沉淀可以看成是非溶剂渗入 与溶剂消除的结合，然而对于空