偶联剂非水解基团对改性SiO2/PDMS膜性能影响的研究

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PDMS是综合性能优异的常用于醇水分离的渗透汽化膜材料。向PDMS中添加硅烷偶联剂改性后的SiO2粒子可以显著提高膜的渗透性能和机械强度。目前国内外所使用的硅烷偶联剂品种单一,尚未有文献表明硅烷偶联剂的结构对SiO2/PDMS膜性能的影响。本文以数均分子量为26.6 K、35.5 K、50.2 K、71.7 K、110.4 K的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为膜材料,正己烷为溶剂,正硅酸乙酯为交联剂(TEOS),二月桂酸二丁基锡(DBTOL)为催化剂,PET无纺布为支撑层制备PET/PDMS复合膜和纯PDMS渗透汽化膜,研究对比PDMS前驱体分子量、料液浓度对两种膜分离性能的影响。以分子量35.5 K的PDMS前驱体为膜材料,含量为5 wt%的纳米二氧化硅粒子为添加剂,氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、乙基三乙氧基硅烷(ETES)、辛基三乙氧基硅烷(OTES)、苯基三乙氧基硅烷(PTES)为硅烷偶联剂改性纳米二氧化硅粒子,制备填充改性纳米二氧化硅粒子的SiO2/PDMS渗透汽化膜,考察了硅烷偶联剂种类、添加量对复合膜力学行为的影响,以及硅烷偶联剂种类、添加量、料液浓度对复合膜分离性能的影响。实验结果表明,PET/PDMS复合膜分离性能优于纯PDMS膜。随着PDMS前驱体分子量的增加,PET/PDMS复合膜和纯PDMS膜的渗透通量降低,分离因子先升高后降低,分离因子在数均分子量为35.5 K时达到最大值8.43和6.58。随着料液浓度的增大,纯PDMS膜和PET/PDMS复合膜的渗透通量升高,分离因子也升高,且复合膜的渗透通量和分离因子均大于纯膜。当硅烷偶联剂的添加量增加时,添加APTES,PTES和OTES的SiO2/PDMS复合膜的拉伸模量先升高后降低,添加ETES的SiO2/PDMS复合膜的拉伸模量升高。SiO2/PDMS复合膜的渗透通量和分离因子随着硅烷偶联剂非水解基团尺寸的增大而减小。ETES改性的SiO2/PDMS复合膜渗透通量和分离因子显著高于其他硅烷偶联剂。随着ETES的添加,SiO2/PDMS复合膜渗透通量先升高后下降,其中纯水通量为60-70 g/m2·h;乙醇通量为730-800 g/m2·h;7.3 wt%的乙醇溶液渗透通量为330-380 g/m2·h。分离7.3 wt%的乙醇溶液时,分离因子先增大后减小,在4.07×10-3mol/g时达到最大值16.26。本论文还通过测定PDMS前驱体在21种有机溶剂的溶解度状态得到了PDMS前驱体的δD,,δP,δH,δt,Ra与其在四种液体中的溶胀度关系。结果表明羟基封端的PDMS前驱体的极性力参数δP为0.12 MPa0.5。log(Q)与δP之间的线性相关性最高,因此δP是决定PDMS膜在乙醇/水体系中溶胀程度的首要因素。
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