pH值响应型含氟微孔膜的制备与性能研究

论文摘要

聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）材料具有优良的化学稳定性和机械性能,能耐热、耐寒、耐辐射和耐化学腐蚀,长期以来作为优良的膜材料广泛应用于工业生产当中,但二者均有极强的疏水性,应用过程中容易造成污染,造成水通量和分离效率下降,要制备pH值敏感型微孔膜需要对其进行改性,提高其亲水性。本文采用表面化学接枝改性的方法制备pH值敏感型含氟微孔膜。相对于膜表面处理法改进膜的亲水性,接枝法使膜能得到持久稳定的亲水性;相对于其他接枝改性方法,化学法不需特殊设备,成本更加低廉,而且可以连续生产,适合大型工业化生产的需求。先分别用强碱、强氧化剂溶液和萘钠溶液对PVDF和PTFE进行脱氟预处理,在膜表面引入双键和羟基、羧基等极性基团,然后用硝酸铈铵引发剂以这些极性基团为活性点引发甲基丙烯酸（MAA）的接枝反应。详细考察了预处理时间、接枝反应时间、接枝单体的浓度对接枝率的影响,通过研究接枝率对pH值敏感性和膜机械性能的影响,确定了制备性能优良的pH值敏感型含氟聚合物膜的适宜反应条件。通过全反射傅立叶变换红外光谱和X射线能谱分析改性前后膜表面化学成分的变化证实膜表面确实有聚甲基丙烯酸接枝层存在。经扫描电子显微镜和原子力显微镜对改性前后膜表面形貌的观察表明,接枝膜表面孔数减少,孔径变小,并且观察到孔内有絮状物,进一步证明接枝甲基丙烯酸的存在。甲基丙烯酸的pKa=5.65,在pH=4和pH=7的条件下对接枝改性膜进行水通量测试,PVDF-g-PMAA和PTFE-g-PMAA改性膜都表现出良好的pH值敏感性。当PVDF-g-PMAA改性膜的接枝率在3%-6.1%的范围内时改性膜的水通量大于原膜,并且对pH值的响应性最好。而对于PTFE-g-PMAA改性膜,综合考虑PTFE改性膜的机械性能和pH值敏感性的需要,将接枝率控制在5%～6%以内改性效果最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 pH敏感膜的研究进展
• 1.2 pH值响应分离膜的应用
• 1.3 含氟聚合物特点
• 1.3.1 聚偏氟乙烯性质
• 1.3.2 聚四氟乙烯性质
• 1.4 含氟膜材料的改性方法
• 1.4.1 共混改性
• 1.4.2 共聚改性
• 1.4.3 表面涂覆改性
• 1.4.4 用低温等离子体处理膜表面
• 1.4.5 表面化学改性
• 1.4.6 光引发表面接枝
• 1.4.7 高能辐射引发表面接枝改性
• 1.4.8 等离子体处理引发表面接枝
• 1.4.9 表面化学接枝改性
• 1.4.10 其他改性方法
• 1.5 目前存在的问题
• 1.6 本课题的设计原理和意义
• 1.6.1 本课题的设计原理
• 1.6.2 本课题研究的目的和意义
• 第二章 化学法对膜表面预处理及表征
• 2.1 概述
• 2.1.1 强碱溶液预处理聚偏氟乙烯概述
• 2.1.2 萘钠溶液预处理聚四氟乙烯概述
• 2.2 实验仪器及原料
• 2.2.1 实验主要仪器
• 2.2.2 实验原料
• 2.3 对PVDF膜表面预处理
• 2.3.1 强碱溶液对膜表面预处理
• 3溶液对膜进行后处理'>2.3.2 酸性条件下NaHSO₃溶液对膜进行后处理
• 2.4 萘钠溶液对PTFE膜表面进行预处理
• 2.4.1 四氢呋喃的精制
• 2.4.2 萘钠溶液的配制
• 2.4.3 萘钠溶液对PTFE膜表面预处理
• 2.5 改性后两种膜表面性能测试
• 2.5.1 红外光谱测试（FT-IR）
• 2.5.2 扫描电镜（SEM）分析
• 2.6 结果与讨论
• 2.6.1 预处理时间对膜性能的影响
• 2.6.2 红外光谱分析FT-IR
• 2.6.3 预处理前后膜表面形貌表征
• 2.7 本章小结
• 第三章 α-甲基丙烯酸接枝改性膜的制备及表征
• 3.1 概述
• 3.2 实验仪器及原料
• 3.2.1 实验主要仪器
• 3.2.2 实验原料
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 微孔膜的表面接枝反应
• 3.3.2 接枝率的测定
• 3.3.3 表面接触角测试
• 3.3.4 X射线能谱分析
• 3.3.5 红外光谱测试（FT-IR）
• 3.3.6 扫描电镜（SEM）分析
• 3.3.7 PTFE膜断裂拉伸性能测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 反应条件对膜表面接枝率的影响
• 3.4.1.1 预处理时间与接枝率的关系
• 3.4.1.2 接枝单体浓度与接枝率的关系
• 3.4.1.3 接枝反应时间与接枝率的关系
• 3.4.2 X射线能谱分析
• 3.4.3 接枝微孔滤膜的FT-IR表征
• 3.4.4 接枝改性前后表面形态的变化
• 3.4.5 接枝率与表面接触角的关系
• 3.4.6 微孔滤膜的原子力显微镜表征
• 3.4.7 聚四氟乙烯微孔拉伸膜的断裂拉伸性能表征
• 3.5 本章小结
• 第四章 α-聚甲基丙烯酸接枝改性膜的pH值敏感性研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验仪器及原料
• 4.2.1 实验主要仪器
• 4.2.2 实验原料
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 对PVDF和PTFE未改性膜的水通量测试
• 4.3.2 改性后微孔滤膜的pH值敏感性测试
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文结论
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究存在的不足
• 5.3 改进方法
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 致谢