基于离子液体的高分子溶液NIPS机理和微孔膜绿色成膜方法

The immersion precipitation phase-inversion method in the membrane industry can lead to serious environmental pollution to the air and water, due to the large-amount emission of organic solvents. To solve this problem, we take the ionic liquids as a replacement of the traditional organic solvents, and present a new environmental-friendly membrane preparation method in this project. The basic theoretical challenge is to construct a new macromolecular solution theory that is applicable to the new solution system of ionic liquids and macromolecules, and to set up the theoretical modal for their NIPS (Nonsolvent Induced Phase Separation) process. Polyurethane is taken as the example polymer. In the molecular scale, the interactions among the chemical groups of ionic liquid and polymer chains are to be investigated by a combination of both simulation and experimental methods; while for the NIPS process, the mechanism is to be discussed by phase diagrams and mass transfer kinetics. Based on the theoretical modals, the membrane preparation method is to be optimized and the relationship between the membrane morphology and the preparation parameters as well as the material chemical structures is to be discussed. The achievement of this project will enrich the theories in the fields of both ionic liquid and macromolecular solution. And the membrane preparation method in this project can avoid the pollution caused by organic solvent, which is thereby of high social and economical value.

"湿法成膜"技术中有机溶剂的挥发和排放所导致的大气及水体污染，是分离膜与合成革行业亟待解决的重大问题。为此本课题提出以低挥发性、高溶解能力的离子液体替代传统有机溶剂，建立绿色成膜方法。其核心理论问题为：针对基于离子液体的高分子溶液这一新的溶液系统，建立相平衡与相分离溶液理论，特别是离子液体/高分子体系NIPS(非溶剂致相分离)过程的理论模型。以聚氨酯为模型高分子，在分子层面，运用计算与实验手段相结合，研究离子液体基元与高分子链之间的相互作用；对NIPS过程，则针对相图与传质状况在热力学和动力学两方面对其相分离机制展开讨论，综合形成系统化NIPS理论模型。以此为基础，建立基于离子液体的绿色成膜方法，总结影响膜孔结构的控制因素。课题研究成果将是对离子液体理论和高分子溶液理论的进一步丰富。所建立的微孔膜绿色制备工艺，有望克服传统有机溶剂的环境污染问题，因而具有重要的经济社会价值。

本课题旨在研究基于离子液体的高分子溶液 NIPS (非溶剂致相分离)过程并由此形成微孔结构的制备新方法，解决微孔膜制备过程中的溶剂污染问题。..项目主要研究工作包括：.一、聚氨酯与离子液体之间的基团相互作用：阐明了离子液体与聚氨酯分子链之间的主要作用基团种类和作用类型 (范德华力、库仑力和氢键等)。讨论了离子液体基元和非溶剂分子在聚氨酯中的扩散行为及其与分子结构和分子间相互作用的内在联系。.二、聚氨酯在离子液体中的溶解性及分子链构像：讨论了影响离子液体对聚氨酯溶解能力的主要因素。讨论了在溶液体系中聚氨酯的构象及其与溶液体系的关系。研究聚氨酯的离子液体溶液中离子液体单元的分布与运动规律，筛选出可用的离子液体种类。.三、基于离子液体的湿法成膜技术:确立了基于离子液体的湿法成膜技术的基本方法。揭示微孔膜形貌与 NIPS 过程中基团相互作用之间的内在关联，总结微孔膜形貌的控制性因素，实现对孔结构与性能的调控。.四、所制备微孔膜的改性与进一步应用。以所制备的微孔膜为基础通过原位填孔方法制备了温敏透湿膜并对其透湿机理进行了探讨。..项目解决的关键问题包括：.1. 建立分子模型，从微观角度阐明了离子液体与聚氨酯大分子之间的相互作用。.2. 根据理论指导，寻找到适合于聚氨酯的离子液体溶剂类别。.3. 确立了基于离子液体的湿法成膜技术的基本方法，从而确立了一种新的绿色成膜方法。制备出具有高透过性和高孔隙率的微孔膜结构。.4. 基于离子液体的湿法成膜技术的参数优化。..本研究的科学意义在于：是对离子液体相分离理论和高分子溶液理论体系的进一步丰富，具有重要的理论价值。在此基础上形成的微孔膜绿色制备技术，杜绝了有机溶剂污染问题，并能够制备高孔隙率和高透过性的微孔膜，因而具有重要的经济社会价值。