非溶剂诱导相分离法制备聚合物多孔膜的计算机模拟研究

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聚合物多孔膜在化工分离中有重要应用。非溶剂诱导相分离法(NIPS法)是近年来制备聚合物膜的主要方法之一,但其中的成膜机理仍不清晰,双疏水嵌段共聚物的成膜机理也鲜见报导。另外,在NIPS法制备多孔膜研究中有一个关键问题,即良溶剂的选择。目前,多数良溶剂有毒、易挥发,因此应用绿色溶剂的NIPS法备受关注,尚未有科研人员模拟探究其可能性及影响因素。此外,对多孔膜进行功能化修饰也是未来多孔膜改性的方向之一。本文采用耗散粒子动力学(DPD)的方法对以上问题进行了计算机模拟探究。论文第一部分模拟了由聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成的双疏嵌段共聚物PS-b-PMMA在NIPS法下的成膜过程。研究发现:聚合物浓度是影响其成膜形貌的主要因素,均孔膜在聚合物浓度为25%-40%之间形成。不同嵌段比时,两种聚合物的相对疏水性差异会使孔径也有差异。另外,使用不同良溶剂时,由于导致蒸发时的热力学不稳定性程度不同也会导致微相分离程度的差异,进而影响多孔膜的孔径。论文第二部分模拟了聚氯乙烯(PVC)在绿色溶剂5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧戊酸甲酯(Polar Clean)中制备多孔膜的过程,并探究了利用绿色溶剂的NIPS法制备多孔膜的可能性及影响成膜的因素。研究发现PVC在高浓度下形成不均匀的多孔膜;接枝聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)可对其性质有一定改良,PEGMA会在多孔膜孔壁形成一层水化层,提高膜的防污效果;若PEGMA接枝长度过长,由于其亲水作用太强导致形成不规则孔,PVC40-g-PEGMA5该长度的嵌段共聚物接枝PVC的防污效果最佳。另外,在一定范围内提高PVC40-g-PEGMA5与PVC的共混比例可调节PVC、PEGMA的相对亲疏水比来改变微相分离中水的分布区域,从而有效提高多孔膜最大孔道的孔径和有效比,降低无效比,从而在提高通透量的情况下保证膜的机械强度。另外,选择合适的蒸发速率对提高制备多孔膜的有效比有较好的效果。论文第三部分模拟了PS、PMMA共混物利用溶剂吸收释放法(SARM)来制备多孔膜修饰物——Janus颗粒的过程,探究了均聚物PS、PMMA在甲苯的溶解释放过程中组合形成Janus的过程。研究发现过低浓度会形成分散的小Janus颗粒,适当低浓度形成饱满的Janus颗粒,继续提高浓度会形成钟乳石状结构。
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