新分离膜亲水改性材料含氟嵌段共聚物及自组装结构设计

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is one of the most commonly used materials for water treatment separation membranes. Due to its strong hydrophobicity, PVDF membrane is susceptible to fouling while treating aqueous solution containing hydrophobic molecules, e.g. proteins, resulting in the blocking of the membrane pores. Aiming to solve this problem, we propose to design new blending materials for the hydrophilic modification of separation membranes: PVDF block copolymers and their self-assembled functional structures. We will start with the synthesis of a series of PVDF block copolymers, especially the amphiphilic diblock copolymers, and then systematically study their solution self-assembly behaviors. We will use the well-established crystallization-driven self-assembly techniques to achieve the control over the structures of the self-assembly structures, generating PVDF amphiphilic block comicelles. The PVDF amphiphilic diblock copolymers and comicelles will be used as blending materials for the fabrication of PVDF separation membrane through the non-solvent induced phase separation method. We will investigate the effect of this new blending materials on the improvement of the PVDF membrane properties such as hydrophilicity, anti-fouling property, etc. Modification of inorganic nanoparticles on the PVDF self-assembled structures and PVDF blending separation membranes is also proposed. Through the investigations on these issues, we aim to solve the anti-fouling issue of PVDF separation membrane by designing new hydrophilic modification materials, and to gain the fundamental understanding on the solution behaviors of the PVDF block copolymers, and furthermore, to achieve the control over the self-assembled structures and realize their functionalization.

聚偏氟乙烯（PVDF）是制备水处理分离膜常用材料之一。针对PVDF的强疏水性而导致的大分子在膜孔表面沉积、孔道堵塞问题，本项目提出设计新型分离膜亲水改性共混材料：PVDF嵌段共聚物及其自组装功能结构。拟合成一系列PVDF嵌段共聚物，特别是双亲共聚物，系统研究其溶液自组装行为，利用成熟的结晶驱动活性自组装技术获得对其自组装结构的控制，制备PVDF双亲嵌段胶束。随后将PVDF双亲嵌段共聚物以及胶束分别作为共混剂，采用非溶剂致相分离法制备PVDF分离膜，研究各种因素特别是共混剂的结构组成对成膜动力学、热力学的影响，着重考察此新型共混剂对PVDF分离膜亲水性、抗污性以及其他性能的提升。最后提出对PVDF自组装结构以及分离膜进行无机纳米颗粒官能化。通过探索这些问题，以设计新亲水改性材料解决PVDF分离膜抗污问题为目标，同时获得对PVDF嵌段共聚物溶液行为的认识及对其自组装结构的控制并实现其功能化。

本项目提出以PVDF嵌段共聚物作为新型改性材料研究其对PVDF水处理分离膜性能的影响，并研究PVDF嵌段共聚物在溶液中的自组装行为及对自组装结构的控制。受本项目资助，在PVDF水处理的改性方面，首次提出以PVDF嵌段共聚物作为添加剂来改性PVDF水处理膜，不仅有效的提高了膜表面的亲水性且获得了具有pH响应的PVDF膜，还首次报道利用生物质鼠李糖脂分子作为改性剂，可以有效的提升PVDF膜的亲水性从而降低其膜污染，特别是减少了不可逆污染。首次报道在PVDF的非溶剂致相分离成膜过程中，原位水解得到氢氧化镧纳米棒，所制得的PVDF有机/无机杂化复合膜展现出非常高的磷酸根的去除能力。在PVDF嵌段共聚物自组装方面，首次系统研究PVDF-聚苯乙烯等一系列嵌段共聚物在多种溶剂中的溶液相自组装行为，并首次报道相关研究结果。但是，根据结果猜测由于PVDF在溶液中的链段自由度过低而导致难以控制其结晶过程，因此很难实现对其自组装形貌进行精确调控。本基金的支持使得受资助人得以拓展其他领域的研究工作，并获得了系统的研究成果。例如，首次开发一种在纳米限域负载镧的磁性纳米颗粒，展现出高的pH值稳定性，比大部分报道的镧基吸附剂的使用范围都广，可用于含有他竞争性阴离子和有机污染物的真实污染废水中的磷酸根高吸附选择性去除。针对水体中存在的多种类别的污染物，开发含有季铵结构的聚乙烯亚胺高分子材料修饰的磁性纳米颗粒材料及纸片状高分子复合材料，获得了具有优异的针对多种污染物包括重金属、有机物及细菌的高效去除性能。针对光催化材料的结构调控问题，首次报道利用点击化学方法制备结构可控的二氧化钛基光催化剂，展现出对水中多种有机污染物的高效降解去除。针对有机污染物的选择性去除问题，报道利用细菌纤维素作为基材，制备分子印迹材料，获得了对结构相似的有机分子的高效识别和去除。国家自然科学基金面上项目的资助使得资助人得以探索新的领域，特别是在环境应用的功能材料的结构设计领域，获得了丰硕的研究成果。