基于嵌段共聚物构象设计的共混超滤膜结构调控和性能研究

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抗污染改性一直都是膜材料和膜分离领域的研究热点。对膜材料进行抗污染改性的常见方法有涂覆法、接枝法、化学处理法、共混法等。由于操作简单、与实际生产兼容性好,共混法成为当前应用最广的改性技术之一。在众多被采用的改性剂中,凭借良好的亲水性以及在膜基体材料中良好的稳定性,两亲性共聚物被视为分离膜理想的改性剂之一。然而,虽然两亲性共聚物已被广泛应用于膜的改性,但系统研究嵌段共聚物构型对膜性能影响和结构调节的工作较少。因此,本论文从嵌段共聚物分子结构设计的角度,提出了研究嵌段共聚物构型及组成对共混膜抗污染性影响和结构调节的课题。本论文中,首先,通过活性可控聚合制备了组成相近的两嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚环氧乙烷(PS-b-PEO)和三嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚环氧乙烷-嵌段-聚苯乙烯(PS-b-PEO-b-PS),采用核磁共振氢谱(~1H-NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对聚合物的结构进行了分析;然后,将其分别添加到聚醚砜(PES)的铸膜液中,通过非溶剂诱导相转化法(NIPS)制备成共混膜。分别采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对膜表断面形貌以及表面粗糙度进行了分析。采用X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(~1H-NMR)等手段对膜中嵌段共聚物的实际含量和表面偏析情况进行了测量,最后对膜的纯水通量、截留率以及抗污染性能进行了系统测试。在研究过程中,我们逐一对比了在添加量相同、聚合物组成相同时两嵌段和三嵌段共聚物对膜的表面亲水性、粗糙度、孔径、截留率和抗污染性的影响规律。研究发现:(1)PS-b-PEO和PS-b-PEO-b-PS都显著改变了PES膜表断面的结构,并且大大提高了膜的水通量和抗污染能力;(2)在嵌段共聚物的添加量相同时,PS-b-PEO-b-PS/PES共混膜具有更高的纯水通量,而PS-b-PEO/PES共混膜具有更好的截留性能;(3)三嵌段共聚物PS-b-PEO-b-PS在表面形成拱桥型构象,因而赋予了共混膜更好的亲水性和抗污染性能。上述结论将为制备更高选择性、更好抗污染性、综合性能更优的共混膜提供一定参考。
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