分离膜高分子材料及进展.pdf
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1、新新新新新新新新新新新新新新新!材材材材材材材材材材材材材材材料料料料料料料料料料料料料料料#分离膜高分子材料及进展!吴学明,赵玉玲,王锡臣(北京工商大学化学工程系,北京!#$)摘要:膜材料是膜分离技术的关键。本文主要介绍了具有重要应用和发展前景的%类高分子膜材料:纤维素膜材料、聚酰亚胺膜材料、有机硅膜材料、液晶复合高分子膜材料、高分子金属络合物膜材料。内容涉及结构、性能、改进方法、用途等。关键词:膜材料;聚酰亚胺;液晶;络合物中图分类号:()$(!文献标识码:*文章编号:!+,-%.((!)(+-(+$!#$%&()*&+)#,-.&/)*+0(&%1)0&,)02 34&+5&6&0*
2、7&8/%&0*,/0 12345678,9:*;?164A37(B3CDEF537F GH IA356D=J786733E678,K36L678&3A7G=G8M D7N K2O673OO 076P3EO6FM,K36L678!#$,IA67D)91,*)6*:Q7FEGN23N DE3 H6P3 R67NO GH CG=M53E 535SED73 5DF3E6D=O FADF DE3 GH DCC=6DF6G7 65CGEFD73 D7NCEGOC3FO:3=2=GO3,CG=M656N3,GE8D76 O6=6G73,=6T26N EMOFD=G5CGO6F3,CG=M53E 53F
3、D=G5C=3U):&$;2,:535SED73 5DF3E6D=;CG=M656N3;=6T26N EMOFD=;53FD=G5C=3U!前言膜技术是一种节能、高效的新技术,广泛用于电力、电子、化工、食品、医药、生物、饮料和环保领域。膜材料的发展很快,高分子分离膜是一种具有特殊传质功能的高分子材料!。例如,聚砜、聚丙烯腈、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚四氟乙烯等材质的微滤膜,以及聚氯乙烯、聚砜酰胺、磺化聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺等材质的超滤膜。随着科技的发展和社会的进步,膜材料不断获得新的发展和新的应用,其中气体分离膜材料研究与开发以及应用已取得了较大进展。本文侧重气体分离介绍。透过率
4、!(VD)W透过气体的体积(5#)X膜的厚度(5)膜的面积(5()X时间(O)X压差(55:8)X!+%其中!又称透过系数。气体首先在膜的一方溶解,通过膜扩散到膜的另一方排出。透过率!#(溶解系数)$%(扩散系数)选择系数!&(气体*的透过率)!(气体 K 的透过率)透过速率(!(透过率))(膜厚)$!*!其中:!、!、(是气体分离膜#个重要技术参数。(纤维素膜材料纤维素是一种稳定的亲水天然高分子化合物。它具有规则的线性链结构,结晶度高,加之其羟基之间形成分子间氢链,故虽高度亲水却不溶于水。纤维素及其衍生物膜材料广泛用于微滤和超滤,也可以用于反渗透、气体分离和透析。因此是最重要的一类膜材料。醋
5、酸纤维素(I*)是目前广泛应用的膜材料,是典型的纤维膜,具有选择性高、透水量大、耐氯性好、制膜工艺简单等优点。由于纤维素分子中的羟基被乙酰基所取代,削弱了氢键的作用力,使大分子间距离增大。因此利用具有良好血液相容性和生物相容性的 I*可以制得具有泡沫结构的中空纤维膜,用于气体分离(Y#、血液过滤等。研究表明,作为超滤膜,三醋酸纤维素比二醋酸纤维具有较高的耐热和耐酸等性能,可制成能分离相对分子质量范围狭小的超(-分离膜高分子材料及进展塑料(!年第(期(#卷)!收稿日期:(+,+#万方数据滤膜,用于血液过滤!#。由于$%膜的化学、热稳定性、压密性较差,而且易降解,因此,近年来开展了不同用途的改性醋
6、酸纤维素膜的研制工作,例如以$%为基质,加入适量的丙烯腈与衣康酸共聚物(&%)共混纺丝,制取中空纤维血浆分离膜,此膜具有较好的形态及结构稳定性(;分离油水用的聚苯乙烯与三醋酸纤维素共混膜;耐高温的羟丙基醋酸纤维素膜和钛醋酸纤维素反渗透膜)。三醋酸纤维素($*%)分子结构类似于$%,但在乙酰化程度以及分子链排列的规整性方面有一定的差异。$*%不仅具有较好的机械强度,同时具有生物降解性、热稳定性能,所以将其与$%共混有可能改善$%的性能。$%也可用来制备胶囊,这类胶囊的应用多数是为达到药物可控释放的目的,也有用来进行膜分离的纤维素胶囊,把醋酸纤维素制成胶囊,胶囊皮层是具有选择渗透性的$%超滤膜,并
7、将高吸水树脂封入囊中,制成高吸水醋酸纤维素胶囊膜,此膜可用来浓缩水中的脲酶或悬浮微粒。纤维素膜材料其它方面进展包括:+,-+./0 等1用亲油单体、亲水单体和两亲单体均相接枝纤维素制取的甲基丙烯酸羟乙基酯(234%)接枝纤维素膜,具有优良的生物相容性、亲水性,适宜作血液透析膜。陈联楷等5首次合成了作为反渗透膜的高取代(6789:9(9:)9)氰乙基纤维素。该产物溶于丙酮,且具有耐酸、碱水解和抗微生物性能。;聚酰亚胺膜材料聚酰亚胺(&膜(亲油及亲水基团分别有序排列的双层选择膜)等。聚酰亚胺是由芳香族或脂肪环族四酸二酐和二元胺缩聚得到的芳香环或者脂肪环高聚物,一般结构式为:!?!#$!#!#$!9
8、#!#?:芳环或脂肪环;9:脂肪族碳链或芳环二酐和二胺的化学结构是影响其透气性的主要因素。由苯二胺、联苯胺、稠环芳二胺制得的聚酰亚胺由于主链刚性大,自由体积小,透气性差,需改性。因此引入取代基增大聚酰亚胺的自由体积,改善透气性。例如:三甲基间苯二胺(*4&6%)或四甲基对苯二胺(*A4&6%)与六氟二酐((B6%)缩聚得到的多取代聚酰亚胺提高了透气性,不过透气选择性多取代型比非取代型要低一个数量级。二酐的化学结构也是影响聚酰亚胺透气性的主要因素。刚性二酐聚酰亚胺自由体积较大,玻璃化温度(%&)高,内聚能密度大,所以具有较好的透气性和透气选择性。柔性二酐聚酰亚胺由于链段活动性大,有碍于气体扩散,
9、透气性好,但透气选择性低。改进方法是把柔性二酐与某些刚性二胺缩聚,可得到兼具有较高透气性和良好选择性的聚酰亚胺分离膜?C。理想的聚酰亚胺气体分离膜材料具有如下结构特征:(?)刚性分子骨架,低链段活动性;(9)较差的链段堆砌,即大的自由体积;(;)链段相互作用要尽可能弱。含氟聚酰亚胺(B6%D6%和(B6%D6%是具有上述结构特征的两个例子:!$%$#;$%;!#%$%$!$#!#(B6%D6%!$%$#;$%;!#%$#(!#!#(B6%D6%它们具有很高的透气性和透气选择性,前者的$E9透过系数())和$E9F$2!透过选择系数!分别为#GC#H?C(&0 和?!;后者的 29透过系数和 2
10、9F$2!透过选择系数分别为;G9 H?C(&0 和!9)。二酐残基中的“(B”基团有二方面作用,其一是增大自由体积和分子主链的刚性,其二是增大$E9和 E9的溶解性,二者的协同效应使(B6%型聚酰亚胺兼具有高透气性和高透气选择性?。在保持聚酰亚胺高透气选择性的前提下,通过改变单体化学结构来提高其透气性。如在联苯二酐(&6%)的两个苯环间引入具有较大体积的六氟异丙基后,透气性可提高一个数量级,且其透气选择性并;!分离膜高分子材料及进展塑料9CC?年第 9 期(;C&卷)万方数据不比联苯型聚酰亚胺逊色!。李悦生等对三苯二醚四酸二酐(#$%&%)型聚醚酰亚胺研究发现:二苯甲烷二胺(%()的氨基邻位
11、甲基取代比氨基间位甲基取代能更有效地改善气体分离性能,表明取代位次可调节#$%&(型聚醚酰亚胺的链段局部运动能力和自由体积及其分布!。聚酰亚胺也可通过交联改性来获得较理想的选择性和透气性。聚酰亚胺交联形成网络后,链段活动性减小,透气性下降,透气选择性升高。有时交联在减小链段活动性的同时,也可能增大自由体积,导致透气性和透气选择性同时升高。含羧基的聚酰亚胺)*%(+%,(与乙二醇反应交联后,透氢系数和#-./#0选择系数可分别提高!12和)-2!-。3,3,0,0 4二苯甲酮四羧酸二酐(,5%()分子中两个苯环间的羰基是光活性基团,在 3)1 6789 的辐射下,5%(型/+:键邻位多取代聚酰亚
12、胺会发生分子间光交联。#;-性无太大减小的情况下,-.:-选择性显著增大,其主要原因在于气体扩散系数的增大和气体扩散选择性的减小引起的,化学交联改性也是改进多取代聚酰亚胺透气选择性的有效方法。例如:溴甲基化改性 3,3,0,0 4联苯四羧酸二酐间苯二胺(,&%(43&%)的膜在!2?12的氨水及有机胺溶液中浸泡 3?!后,发生表面交联反应,/-的透过系数可从-A!B&;减小至!)&;?!B&;左右,而/-.:-透过选择系数从 3 增至 0?B 左右!0。聚酰亚胺膜作为气体分离用膜材料得到广泛研究并获得初步应用,但常规&C 膜较厚,气体的透过率均比较小。根据气体通量与膜厚成反比的关系,运用D,膜
13、技术从分子水平上进行厚度控制得到超薄有序的 D,膜,是一种提高气体透过速率的潜在方法,由于聚酰亚胺 D,膜具有超薄、机械强度高、膜中缺陷结构少、并可以进行多层复合等优点,因而聚酰亚胺D,膜也被尝试用于气体分离。!#$#$#$#!$#%#EF;GHI!1,!)等将 3 层&C0D,膜复合到最大孔为!J67 的聚苯醚(&)不对称支撑膜上,得到带有超薄&C 功能分离层的复合型气体分离膜。用不同长度侧链烷基叔胺制备的聚酰亚胺预聚物(令其为&(E0)的 D,膜、&C0D,膜及&C0 涂膜的气体分离性能列于表!,&(E0 或&C0 的 D,复合膜的透气速率比&C0 均质膜大两个数量级,侧链为十六烷基的&(
14、E0(!))D,膜亚胺化后的&C0(!))D,膜对:-的透过速率的减小幅度,大大超过对-和/-的透过速率的减小幅度,表明该&CD,膜几乎没有缺陷,气体透过选择性很高,接近厚度数!微米的&C 均质膜!B。与&(E0(!))相比,&C0(!))的选择性大幅度提高,可能是因为亚胺化后化学结构的变化,使聚合物中电荷络合物、氢键、侧链、柔性、有序性、自由体积、聚合物链间距等性质发生了有利于选择性的变化,直径小的气体分子容易在其间渗透。预聚物&(E0 中侧链的长度对&C0D,膜的气体分离性能有较大影响;侧链长度为!-个碳时形成的&(E0(!-)D,膜疏水基较短,聚合物分子链不能平铺于膜面上,亚胺化时的收缩
15、作用使 D,膜中产生褶绉和其他非均一结构,形成缺陷或针孔,表现为由此得到的&C0D,膜虽然有较高的透气速率,但是透过选择性减小(见表!)。可以认为,将超薄的&CD,膜复合在较厚的&等不对称微孔支撑膜上有希望获得同时具有较大的透过速率和良好选择性的高效气体分离膜。表!&(E、&C 复合分离膜的透过速率和选择系数单位:K(A!+!7LM 7N6+!F7+-)超薄膜K-K:-K/-!-.:-!/-.:-&(E0(!-);1OJ-O10-O1!-O-JJOJ&(E0(!));-BO3!-OBB)OJ!-O!1)O1&C0(!-);!PO00JO)JBO!3-O-0JOJ&C0(!));!-O1-!O)
16、0!O!BOB!-1OB3&C0 FL;QN6RSOJ1O!O-BBJO!-)O3J;:括号中的数据是&(E0 中的侧链烷基的长度;S:&C0 膜层的厚度为 37?170有机硅膜材料有机硅膜材料具有良好的前景,已开发出许多优良的分离膜,特别是用于气体分离方面。有机硅材料耐热,耐电弧性,空间自由体积大,分子间作用力小,内聚能密度低,结构疏松。这类高分子属于半无机,半有机结构的高分子,兼有有机高分子和无机高分子的特性。其中聚二甲基硅氧烷(&%E)是典型代表。&%E 分子链为:#$%&3&3$%&3&3#00分离膜高分子材料及进展塑料-!年第-期(3&卷)万方数据作为膜材料的!#$具有螺旋形结构,分
17、子间作用力非常微弱,它是目前工业化应用中透气性最高的气体分离膜材料。但有以下几个缺点:%&透气选择性低;&超薄化困难;(&强度很差,不能单独做膜。如与其他高分子共聚解决支撑问题,其选择系数亦可提高。)*+,-./0/1*使!#$(%&%$(!#(#(#(#(与#(#)(#(2 3 4 5%4)于%647 5%8479中热缩合(:5;:,热压成膜。当共聚物中含硅量为%?中;:不降解。其中透过率())为 A4;B%4C;!,选择系数!*!为 A8(。)*+,-./0/1*%D又在上述反应中加入一种三元酸,如苯间三羧酸为交联剂,也可做成透明柔软膜,在 647时氧气透过率最高可达(&B%4C;!,
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