嵌段共聚物自组装致孔径均一可控分离膜的研究

高选择高通量高分子分离膜的制备是膜学界多年来致力于解决的关键技术之一。本项目拟通过嵌段共聚物的自组装技术与传统的浸没相转化制膜技术相结合，以聚丙烯腈-b-聚乙二醇为自组装嵌段共聚物，制备孔径均一可控的不对称分离膜。通过嵌段共聚物的自组装技术不仅可以获得具有较强自组装动力学稳定性和结构稳定性的有序纳微结构，而且通过调节嵌段共聚物的分子量、化学组成、化学结构还可以获得孔径可调、材料性能可调的分离膜。本项目通过研究嵌段共聚物微结构的自组装机理和调控方式，以及优化传统浸没相转化制膜参数，去设计、构筑孔径均一可控不对称膜结构，这对于理论研究和实际应用都有着重大意义。通过本项目的实施不仅为高选择高通量高分子分离膜的制备提供一条新的途径，同时也为实现该膜的工业化应用提供理论依据和实验基础。

本项目通过嵌段共聚物的自组装技术与传统浸没相转化制膜技术相结合，以聚丙烯腈-b-聚乙二醇为自组装嵌段共聚物，制备孔径均一可控的不对称分离膜。研究目标旨在通过调节嵌段共聚物的分子量、化学组成、化学结构去调控分离膜的孔径和材料性能，并通过研究嵌段共聚物微结构的自组装机理和调控方式，以及优化传统浸没沉淀相转化制膜参数，去设计、构筑孔径均一可控不对称膜结构。主要研究内容包括聚丙烯腈-b-聚乙二醇嵌段共聚物的合成和表征，孔径均一膜的制备以及膜性能的表征。首先，以聚乙二醇单甲醚(MPEG)和硝酸铈铵为氧化还原引发体系，二硫苯甲酸苄基酯为链转移剂，实现了丙烯腈的RAFT聚合，成功合成了一系列具有不同分子量和链段组成的嵌段共聚物，并用1H-NMR、FTIR、GPC对嵌段共聚物的组成和结构进行了系统地分析。考察了聚合条件，如：温度和各组分配比对嵌段共聚物分子量和分子量分布的影响，研究结果表明，高的反应温度更适宜控制该聚合反应的分子量和分子量分布。当体系中没有链转剂存在时，是传统的自由基聚合，聚合物的分子量和分子量分布难以很好控制；当体系中有链转剂存在时，聚合物的分子量能得到很好控制，且分子量分布较窄。通过调节单体和链转剂的配比，可以获得具有不同分子量的聚合物。其次，选用26.5K和78K的PS-b-PEG嵌段共聚物作为制膜材料，采用溶剂挥发的方式成膜，用SEM和AFM分析了膜表面和断面的结构。研究结果表明：所成膜表面出现了尺寸较为均一，排列较为规整的纳孔，膜孔径可以通过聚合物的分子量来调控。系统考察了制膜条件，如溶剂种类、聚合物浓度和均聚物的加入对膜形态结构的影响，研究结果表明，选用THF作溶剂，可以得到膜孔高度均一的膜；聚合物浓度的增加有利于规整均一孔结构的形成，但以损失膜的通透性为代价；PEG均聚物有良好的致孔特性，对膜孔径有调节作用。研究了浸没相转化制膜参数对分离膜形态结构的影响，研究结果表明：当溶剂挥发时间为15秒以下时，难以得到具有规整孔结构的膜；当溶剂挥发时间为30秒以上，膜表面的孔结构趋于规整。 最后，对膜性能进行了系统分析。膜表面的X-光电子能谱结果表明，亲水的PEG链段有向膜表面富集的趋势。PEG链段的引入能降低膜的不可逆污染程度，并且随着PEG链段含量的增加，膜的不可逆污染逐渐降低。PEG链段长度对膜污染的影响不大。