聚合物多孔膜的晶体模板法制备及其应用基础研究

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常用的制备聚合物多孔膜的方法,如非溶剂诱导相转化法和静电纺丝法,通常具有步骤繁琐、能耗高成本大、环境友好性差以及机械性能欠佳等问题,最重要的是无法实现对膜孔尺寸和形状的简单调控和精密控制。这无疑大大限制了聚合物多孔膜在超/微滤、复合膜支撑层以及锂电池隔膜方向上的大规模应用。低温冷冻法(溶剂晶体模板法)作为一种特殊的热致相分离法(低温液-固相分离),具有步骤简单、膜孔结构易调控、普适性强等特点,有利于规模化制备,是一种潜在的制备聚合物多孔膜的方法。本文筛选了一种适合于聚偏氟乙烯的高熔点溶剂,在此基础上研究了其与聚偏氟乙烯的相互作用、相分离机理以及结晶行为,并用于聚偏氟乙烯多孔膜的制备、调控,以期丰富聚偏氟乙烯膜的孔结构,拓展聚偏氟乙烯膜的应用范围。具体研究工作内容如下:  利用Materials Studio模拟软件验证了极性溶剂熔点与分子结构的关系,并计算了聚偏氟乙烯模型分子与溶剂分子(二甲基砜、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺)的相互作用。计算表明,二甲基砜的高熔点来源于强烈的分子间氢键,聚偏氟乙烯与二甲基砜之间同样存在着强氢键相互作用,二者存在高温溶解、低温结晶分相的相分离特点,因此二甲基砜可选为聚偏氟乙烯的高熔点结晶性溶剂。  采用差示扫描量热仪、偏光显微镜、广角X衍射、表面全反射红外以及变温红外等测试手段,结合模拟计算研究了聚偏氟乙烯/二甲基砜体系的结晶行为,绘制了二元相图。该体系发生液-固热致相分离,聚偏氟乙烯会通过与晶面的相互作用影响二甲基砜的优势晶面,而率先形成的二甲基砜晶体会诱导β晶型聚偏氟乙烯的生成。以聚偏氟乙烯/二甲基砜为成膜体系制备了具有无规取向柱状孔结构的聚偏氟乙烯多孔膜,其孔结构复刻了二甲基砜的晶体形态。  采用双向冷冻法诱导二甲基砜取向结晶,制备了具有垂直通孔结构的聚偏氟乙烯多孔膜。结合Monte Carlo模拟和扫描电镜观察研究了聚合物浓度、加水速率、水浴温度以及厚度对垂直通孔结构的影响。研究结果表明,低聚合物浓度、低水浴温度、低膜厚以及加水速率适中时有利于获得垂直通孔结构。所制备的垂直通孔膜可以用于细菌分离以及正渗透膜支撑层。该方法可以扩展到聚丙烯腈、聚乳酸、聚砜、聚苯乙烯以及聚丙烯垂直通孔膜的制备。  利用Materials Studio模拟软件研究了添加剂(正硅酸四乙酯或甘油)对聚偏氟乙烯/二甲基砜体系相互作用的影响,借助热台光学显微镜和差示扫描量热等方法研究了聚偏氟乙烯/二甲基砜/添加剂三元体系的相分离过程和结晶行为,绘制了相图。采用预混合加料和一步成型路线,分别制备了具有多级孔结构和双连续孔结构的聚偏氟乙烯膜。研究结果表明,分相温度、膜孔尺寸、水通量、机械性能受到聚合物浓度、冷却速率、添加剂含量等因素的影响。所制得聚偏氟乙烯多孔膜可以分别被应用于蛋白分离或锂电池隔膜方向。
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