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超薄复合膜的理性设计、结构调控及脱湿性能研究

潘福生  
【摘要】: 受细胞膜内水传递通道的启发,在膜内构建水分子传递通道,以提高水分子在膜内的扩散特性,同时通过降低膜的厚度,缩短水分子扩散路径,最终提高膜的脱湿性能。论文以膜内水传递通道的理性构建和复合膜表皮层的超薄化为出发点,以水/丙烯混合气为模型体系,制备了PVA-EDTMPA/PS复合膜、PVA-silica/PS杂化复合膜、Gelatin-silica/PS杂化复合膜和Polydopamine/PS复合膜。采用SEM、TEM、NMR、XRD、DSC、TG和PAS等方法对膜进行了表征,系统研究了膜的吸附、扩散和气体脱湿性能,并通过分子动力学模拟考察了膜的结构以及水分子在膜内的扩散过程。 通过在PVA内引入EDTMPA,利用两者之间较强的相互作用,调控膜的自由体积特性,增大膜内水通道的体积和数量,并改变膜内水分子的状态。当EDTMPA含量小于10 wt.%时,膜内水通道的体积和数量增大,利于水分子在膜内的扩散。当EDTMPA含量在10-30 wt.%之间时,膜内自由水含量升高。由于自由水的扩散系数远大于结合水的扩散系数,当膜内自由水含量达到最高(24 %)时,渗透率达997.7 GPU,分离因子为无穷大(EDTMPA含量为20 wt.%)。 将仿生矿化和高分子调控相结合,利用精蛋白的诱导作用,在PVA主体内原位合成大小均一、分散良好的氧化硅纳米粒子,制备出具有超薄PVA-silica杂化表皮层(0.8-1.0μm)的复合膜。通过改变PVA的热处理温度,控制PVA内受限空间的大小,制备出平均粒径为14.3、9.5和8.0 nm的氧化硅颗粒。由于水分子在PVA-silica界面通道内的扩散系数(2.82×10?7 cm2/s)高于PVA主体(1.05×10?7 cm2/s),杂化复合膜的渗透率可达1200 GPU,分离因子达无穷大(硅酸钠浓度为30 mM,pH为7.0,浸泡时间为1 h)。 基于生物矿化原理,利用明胶的诱导作用和良好的成膜性能制备出具有超薄Gelatin-silica杂化表皮层(0.4-0.6μm)的复合膜,氧化硅纳米颗粒大小均匀,在表皮层内分散良好。明胶-silica界面通道的存在和明胶内主体通道连通性的改善,使得杂化复合膜的渗透率可达2497 GPU,分离因子达无穷大(膜内氧化硅含量为4.5 wt.%,pH为7.0,制备温度为40 oC)。 利用仿生粘合剂多巴胺的迅速自聚合及其与支撑层之间的多种相互作用,制备出具有超薄表皮层(10-90 nm)的复合膜。通过改变制备条件可调控表皮层的厚度和致密度。利用聚多巴胺特殊的结构,构建了水传递的连续通道。聚多巴胺/聚砜复合膜的渗透率可达9317 GPU,分离因子达无穷大(多巴胺浓度为2 mg ml-1,pH为9.4,浸泡时间为0.5 h)。


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