离子液体功能化纳米复合膜的制备与分离机理研究

Nanocomposite membranes become a research focus in recent years because it can overcome the "trade-off" effect of the traditional polymer membrane due to the introduction of inorganic component in the polymer matrix. One of important factors influencing the nanocomposite membrane performance is the particle dispersion within the polymer matrix. Recent studies indicate that the ionic liquid can be used as the third component to improve the interaction between inorganic particles and organic polymer, thereby contributing to the dispersion and compatibility of the inorganic component in the membrane. On the other hand, the membrane prepared from ionic liquid is usually a polymer membrane with single function. It will be a very interesting subject if ionic liquid is grafted environmentally responsive function chains which control the responsive degree of the polymer membrane on the external environment through the regulation of the property of the ionic liquid, and the introduction of inorganic nanoparticles to improve the overall performance of composite membrane. Therefore, this topic breaks through the traditional thinking mode and proposes our own ideas. Ionic liquid and temperature responsive monomer in-situ polymerizes on the surface of porous supporting in the presence of inorganic particles. The responsive temperature and degree of the polymer membrane on the external environment can be controlled through the regulation of the property of the ionic liquid. Furthermore, the separation mechanism of ionic liquid nanocomposite membrane is revealed on the molecular level by researching the diffusion behavior of electrolytes and organic compounds in the membrane combined with two-dimensional infrared technology.

纳米复合膜由于在聚合物基体中引入了无机组分，可以克服传统聚合物膜"上限平衡"效应，成为近年来的研究热点。影响纳米复合膜性能的一个重要因素是无机颗粒在聚合物基质中的分散性。最新研究表明，离子液体可以作为第三组分提高无机粒子与聚合物间的相互作用，从而促进无机组分在膜中的分散性与相容性。另一方面，目前利用离子液体制备的分离膜多是功能单一的聚合物膜，若在离子液体上接枝环境响应型功能链段，通过调节离子液体的性质来控制聚合物膜对外界环境的响应程度，同时引入无机纳米粒子，以提高复合膜的综合性能，这将是一个非常有趣的课题。因此，本课题突破传统思路模式，在多孔支撑体表面原位聚合离子液体与温敏单体，并引入无机纳米粒子，以制备高性能离子液体纳米复合膜，通过调节离子液体的性质来控制膜对外界环境的响应温度和响应程度；同时结合二维红外相关技术研究被分离物质在膜中的扩散行为，从分子层面揭示离子液体纳米复合膜的分离机制。

离子液体/聚离子液体具有灵活的结构和性能可设计、可调节性，本研究将聚离子液体引入高分子膜材料，基于聚离子液体独特的结构和性能可设计性，提出了一种新的制备荷正电纳滤膜的方法：基于聚离子液体的亲/疏水性转化制备了PIL功能化荷正电纳滤复合膜。通过简单的水相离子交换反应在基膜的表面构建了一层完整的功能修饰层，并得到了渗透性能优异的复合纳滤膜。由于独特的“自抑制”效应的存在，经过离子交换反应及随后的相分离过程后，疏水性的超薄功能层在多孔支撑膜表面产生。此外，我们利用聚离子液体功能化材料对高分子膜材料进行了进一步的改性和修饰，我们通过将离子液体功能化的温敏性聚合物与基膜共价接枝，成功制备了一种响应温度可调节的离子液体功能化温敏性复合膜。复合膜功能层接枝链的LCST可以通过简单的离子交换反应将亲水性离子液体单元转变为疏水性离子液体单元而进行调节。此外，在PNIL水溶液及PNIL-BPPO复合膜的功能层中定量地改变PF6-的引入量，它们的响应温度也可逐渐地变化与调控。在LCST附近复合膜的通量与截留性能均发生了剧烈变化。这样一种可调节的温敏性复合膜也具备很好的回复性。本研究中展现的是一种灵活、简便高效的设计“智能”膜材料的方法。提高了高分子膜材料的可设计性，并进一步拓展了膜材料的性能和应用范围。.本项目的相关研究成果发表SCI论文21篇（其中IF>5的论文18篇），授权专利7项。顺利完成预期研究目标。