溶剂法纤维素中空纤维膜的制备与性能研究

论文题目: 溶剂法纤维素中空纤维膜的制备与性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 化学工程

作者: 介兴明

导师: 袁权院,曹义鸣

关键词: 纤维素,气体分离,干燥,纺丝,气体加湿

文献来源: 中国科学院研究生院（大连化学物理研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 纺织行业的Lyocell工艺通过新型溶剂N-甲基吗啉N-氧化物物理溶解纤维素,可以避免纤维素化学降解,并保留其天然特性。本论文借鉴该工艺,采用溶剂法制备了纤维素中空纤维膜并对其性能进行了研究。首次采用湿法纺制出均质无孔的纤维素中空纤维气体分离膜。湿膜经自然干燥后结构致密化,无明显气体渗透性能。加湿后水分渗入纤维素无定形区形成“水通道”,气体通过溶解扩散在该“水通道”中得到渗透分离,故水含量对气体渗透速率影响显著。CO2在水中具有较高的溶解度,故在水“溶胀”后的膜中表现出较好的渗透性能,对N2、CH4甚至H2都具有较高的理想分离因子。考察了干燥方法对非对称纤维素中空纤维膜结构与性能的影响,并提出了一种新的干燥机理。自然干燥与乙醇置换干燥因为液体分子间存在较强的氢键作用,干燥过程中随着液体的挥发会产生拉力使得纤维素分子互相靠近,最终使得干膜结构完全致密化,无明显气体渗透性能;而2-丁酮置换以及乙醇正己烷置换干燥,尤其是后者,因为液体分子间作用力较弱,可以很好地保护膜的非对称结构,干膜表现出明显的气体渗透性能。芯液中添加低沸点醇类有利于膜内侧的液-液分相,产生指状孔,但是“气泡丝”的产生破坏了纺丝稳定性;芯液中添加溶剂则可以限制液-液分相的进行,随着溶剂浓度提高,膜内侧指状孔渐渐消失,整体结构更加致密;随着干纺距离增加,纤维素中空纤维膜内侧的指状孔区域逐渐变大,同时出现较大的孔;凝胶浴温度的增加对膜内侧指状孔区域影响不大,但是膜外侧结构会越来越疏松,出现海绵状结构。最后考察了纤维素中空纤维膜的气体加湿性能,实验结果表明该膜透水性能优异,对燃料电池反应气体具备气密性,加湿效果明显,具有应用于燃料电池加湿系统的潜力。

论文目录:

第一章文献综述

1.1 前言

1.2 膜的定义、分类与主要膜过程

1.2.1 膜的定义

1.2.2 膜的分类

1.2.3 主要膜过程

1.3 聚合物膜材料及其膜制备技术

1.3.1 聚合物膜材料

1.3.1.1 与无机膜材料的比较

1.3.1.2 理想聚合物膜材料的选择标准

1.3.1.3 常用的聚合物膜材料

1.3.2 聚合物膜制备技术

1.3.2.1 对称膜制备技术

1.3.2.2 非对称膜制备技术

1.4 沉浸凝胶法制备非对称膜

1.4.1 沉浸凝胶法(L-S 法)

1.4.2 沉浸凝胶热力学和液-液分相

1.4.3 沉浸凝胶法制备非对称膜研究进展

1.5 纤维素材料及其新型溶解工艺

1.5.1 纤维素材料的特征

1.5.2 纤维素材料的应用

1.5.3 纤维素的溶剂体系

1.5.4 纤维素的新型溶解途径-Lyocell 工艺

1.5.4.1 纤维素的新型溶剂-NMMO

1.5.4.2 新型纤维素纤维

1.6 论文的选题和工作内容

参考文献

第二章实验部分

2.1 膜材料、试剂及仪器设备

2.1.1 主要材料和试剂

2.1.2 主要分析仪器、设备

2.2 膜的制备

2.2.1 纤维素膜液的制备

2.2.2 纤维素平板膜的制备

2.2.3 纤维素中空纤维膜的制备

2.3 膜的表征

2.3.1 膜结晶度的测定

2.3.2 膜结构的测定

2.3.3 膜内外径的测定

2.3.4 膜机械性能的测定

2.3.5 膜气体渗透性能的测定

参考文献

第三章致密纤维素中空纤维膜的制备与气体渗透性能研究

3.1 前言

3.2 气体在膜中的渗透机理

3.2.1 气体在多孔膜中的渗透机理

3.2.2 气体在致密膜中的渗透机理

3.2.2.1 气体在橡胶态致密膜中的渗透机理

3.2.2.2 气体在玻璃态致密膜中的渗透机理

3.3 实验部分

3.3.1 纤维素中空纤维膜的制备

3.3.2 纤维素中空纤维膜的自然干燥

3.4 纤维素成膜的相分离类型与膜结构

3.5 干态纤维素中空纤维膜的气体渗透性能

3.6 湿态纤维素中空纤维膜的气体渗透性能

3.6.1 湿态纤维素中空纤维膜的气体渗透机理

3.6.2 水含量对纤维素中空纤维膜气体渗透性能的影响

3.6.3 压力差对纤维素中空纤维膜气体渗透性能的影响

3.7 纤维素中空纤维膜与醋酸纤维素平板膜气体渗透性能的比较

3.8 小结

参考文献

第四章干燥方法对非对称纤维素中空纤维膜结构与性能的影响

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 非对称纤维素中空纤维膜的制备

4.2.2 纤维素中空纤维膜的不同干燥方法

4.2.3 干态纤维素中空纤维膜对溶剂的吸附能力

4.2.4 干态纤维素中空纤维膜中成键水含量的测定

4.3 干燥过程分析

4.3.1 吸湿物料的种类

4.3.2 水分与物料的不同结合形式

4.3.3 湿态纤维素中空纤维膜中水分子与纤维素的结合形式

4.4 纤维素中空纤维膜非对称结构的形成机理

4.5 不同干燥方法所得纤维素中空纤维膜的断面结构比较

4.6 纤维素中空纤维膜的干燥机理

4.7 干态纤维素中空纤维膜的性能测试及对其干燥机理的验证

4.7.1 不同干态纤维素中空纤维膜的结晶度

4.7.2 纤维素与不同液体间的分子亲和力比较

4.7.3 干燥过程中膜内液体的挥发速度

4.7.4 不同干态纤维素中空纤维膜的成键水含量比较

4.7.5 不同干燥方法导致的膜收缩比较

4.7.6 不同干态纤维素中空纤维膜的机械性能比较

4.7.7 不同干态纤维素中空纤维膜的气体渗透分离性能比较

4.8 小结

参考文献

第五章纺丝参数对非对称纤维素中空纤维膜结构与性能的影响

5.1 前言

5.2 添加剂对成膜过程的影响

5.2.1 纤维素纺丝体系中加入低沸点溶剂面临的问题

5.2.2 二甲基亚砜(DMSO)作为添加剂对体系相分离的影响

5.3 芯液组成对膜结构与性能的影响

5.3.1 含醇类芯液

5.3.2 含溶剂芯液

5.3.2.1 芯液中添加溶剂对膜结构的影响

5.3.2.2 芯液中添加溶剂对膜气体渗透分离性能的影响

5.4 干纺距离对膜结构与性能的影响

5.4.1 干纺距离对膜结构的影响

5.4.2 干纺距离对膜气体渗透分离性能的影响

5.5 凝胶浴温度对膜结构与性能的影响

5.5.1 凝胶浴温度对膜结构的影响

5.5.2 凝胶浴温度对膜气体渗透分离性能的影响

5.6 加湿对纤维素中空纤维膜气体渗透性能的影响

5.7 小结

参考文献

第六章纤维素中空纤维膜在燃料电池气体加湿中应用基础研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 纤维素中空纤维膜的制备

6.2.2 纤维素中空纤维膜的干燥与再溶胀

6.2.3 纤维素中空纤维膜加湿组件的制备与气密性测试

6.2.4 纤维素中空纤维膜气体加湿性能的测试

6.3 自然干燥后纤维素中空纤维膜的结构与尺寸收缩

6.4 干态纤维素中空纤维膜在水中的溶胀性能

6.5 纤维素中空纤维膜进行气体加湿时气密性保证

6.6 纤维素中空纤维膜的气体加湿性能

6.6.1 水温对纤维素中空纤维膜水渗透通量的影响

6.6.2 水气压力差对纤维素中空纤维膜水渗透通量的影响

6.6.3 加湿气体流量对加湿性能的影响

6.7 小结

参考文献

第七章结论

作者简介及发表论文

致谢

发布时间: 2005-10-15

参考文献

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