聚乙烯醇/聚丙烯酸/POSS杂化膜制备及膜中分子传递机理研究

采用PVA，PAA和笼型结构的POSS合成PVA/PAA/POSS有机-无机杂化膜。研究无机相在PVA/PAA基体中分散特性，考察加入无机相后高分子链迁移受阻的程度及这种链迁移受限对渗透分子在膜中的吸附与扩散造成的影响。研究杂化膜的主体微观结构和膜表面结构以确定膜表面的组成，膜相结构和POSS 含量之间的关系。研究POSS 中R 基的类型，R 链的长度，R基的刚硬性和活性对膜的结构及膜的分离性能的影响，用蒙特卡洛法模拟R 基团对有机网络结构的影响。基于POSS的笼型结构，渗透分子在高分子链和笼之间所形成的孔穴中扩散和高分子基体中扩散存在明显差异，用分子动力学模拟渗透分子在这两种不同场所的扩散行为，结合实验探明分子在杂化膜中传递机理。利用甲醇/甲醇酸乙酯等体系研究PVA/PAA/POSS杂化膜的渗透行为。通过结构研究可弄清膜的主体结构，表面结构和膜性能的关系，调控R基团制备性能优异的杂化膜。

本研究旨在制备性能优良的渗透汽化膜，以乙二醇/甲醇等为分离体系考察膜的分离性能。根据溶解度参数理论及亲/疏水平衡理论，结合乙二醇/甲醇等体系的物理化学特点，选择壳聚糖-聚乙烯吡咯烷酮为高分子膜材料用于渗透汽化分离乙二醇/甲醇混合物。由于聚合物溶胀严重，机械强度明显下降，结果导致渗透汽化性能下降。为了提高渗透汽化膜的机械强度和渗透汽化分离性能，采用了增加支撑层、利用紫外交联和硅烷偶联剂交联三种措施对膜进行处理。其中硅烷偶联剂选择正硅酸乙酯(TEOS)和1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷(BTEE),制备了醋酸纤维素(CA)-壳聚糖(CS)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合膜、UV-CS/PVP紫外交联膜、CS/PVP-TEOS、 CS/PVP-BTEE有机-无机杂化膜，拟提高膜的渗透汽化性能。通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等表征手段研究了膜的物理化学结构。.结果表明，CS和PVP存在一个最佳共混比例10:1，支撑层可以显著增加膜的机械强度，提高膜的分离性能。通过CA支撑，复合膜的渗透汽化分离因子(PSI)值提高了大约80%。紫外交联和硅化学交联都能显著降低膜的溶胀性，提高膜热稳定性和机械强度，同时显著提高膜的分离性能。紫外交联4分钟后的CS/PVP共混膜的渗透通量达99.76 g•m-2h-1，分离因子为1099，PSI值提高了206.1%。分离因子随着硅烷偶联剂增加而显著增加，当BTEE含量为10.04 wt%时，杂化膜的最高分离因子为6129。