论文部分内容阅读
纤维素是自然界中储量最大的天然高分子，主链上大量的活泼羟基，为纤维素结构的衍生化提供活性点。衍生化反应改变了纤维素材料的性质，大大拓展了纤维素的应用领域。其中，纤维素类衍生物膜由于价廉、抗污染等特点，已被应用于工业化气体分离生产中。新型功能化纤维素衍生物的设计、合成一直是研究者广泛关注的热点。近些年出现的离子液体可以很好地溶解纤维素，为纤维素的均相衍生化提供了更广阔的空间。
为研究化学结构对纤维素类膜气体分离性能的影响，设计得到高渗透高分离性能的膜材料，利用离子液体为反应介质，在纤维素的主链结构上定向选择性地引入不同数量、不同分布、不同结构和不同性质的取代基团，得到系列的、具有新型拓扑结构的纤维素衍生物。系统地研究了引入取代基的化学性质、取代基形状与尺寸、取代度和取代基分布等因素对新型纤维素膜的气体选择透过性能的影响。选取三种途径对纤维素进行改性:
1.离子液体作为反应介质，将柔性基团引入纤维素主链中，增大高分子的自由体积分数。合成了一系列醋酸纤维素、丙酸纤维素、丁酸纤维素和醋酸丁酸纤维素混合酯。研究了化学结构对材料的气体渗透性能的影响:取代度增大，气体渗透系数变大;C6＞C3＞C2的取代基团分布有利于形成小孔穴，对尺寸差异大的气体分离性能好;取代基链长增加，渗透系数提高。通过分子结构设计，控制醋酸丁酸纤维素混合酯中乙酸和丁酸基团的含量，实现对渗透系数和分离系数的调控。
2.离子液体作为反应介质，将一系列刚性基团引入纤维素主链中，限制纤维素分子的紧密堆积，提高气体渗透性能。合成了金刚烷甲酸纤维素、纤维素萘甲酸酯、纤维素苯基氨基甲酸酯、纤维素磷酸二苯酯、三苯甲基纤维素醋酸酯和丙烯酸纤维素等。研究取代基团的极性、形状、体积等因素对性能的影响，尤其是气体渗透性能。片状萘甲基、极性的苯基氨基甲酸基团、二苯基磷酸酯基团对纤维素改性效果不明显;球状金刚烷甲酸基团、三苯甲基基团、丙烯酸基团的引入具有较好的气体渗透改性效果。设计材料化学结构控制自由体积拓扑结构，得到了具有高渗透高选择性能的醋酸金刚烷甲酸纤维素、三苯甲基纤维素醋酸酯和丙烯酸丁酸纤维素混合酯。
3.将对CO2有溶解能力的乙烯基丁基咪唑四氟硼酸盐(VbimBF4)离子液体接枝到纤维素的主链中，提高对CO2的选择透过性。进一步将自由离子液体EmimBF4、BmimTf2N、BmimAc、EmimAc引入共聚膜中，得到针对CO2分离的兼具高渗透高选择性能的纤维素-离子液体复合膜。研究了自由离子液体的种类、含量对气体选择渗透性能的影响。