表面接枝改性制备新型高分子膜材料的研究

发布时间：2017-04-21 07:17

  本文关键词：表面接枝改性制备新型高分子膜材料的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着能源和水资源日益紧缺、环境污染的加剧,水处理成为了国内外学术界广泛关注的重要课题。而在已报道的诸多水处理工艺中,膜法不需要化学添加剂、能耗较小、处理量大、再生简单,优势明显。实际应用中,膜法水处理又以高分子膜材料的应用为主。由于膜材料的性能直接决定了膜的应用效果,故而高分子膜材料的开发是项极其重要的工作。而单一的膜材料往往很难兼具良好成膜性、稳定性、功能性和成本效益等,一般采用物理或化学的方法来提高膜的性能以满足实际应用需要。在众多高分子膜材料改性方法中,表面接枝改性易于操作、经济可行、稳定性好,被广泛应用。本文针对水处理应用中普通单一电纺纳米纤维膜一般疏水性较强且缺少有用的功能性基团、界面聚合的荷正电纳滤膜分离层与支撑层结合强度低溶胀后易剥离乃至脱落且其制备工艺通常比较复杂的问题,基于表面接枝聚合和聚多巴胺辅助的表面接枝的方法,探索构建亲水化、功能化及结构稳定且制备工艺简单的新型高分子膜材料。本文的研究工作主要包括以下三个部分:第一部分,提出了一种新型表面接枝聚合改性亲水性聚氯乙烯(PVC)微/纳米纤维膜的制备方法。首先探索了PVC微/纳米纤维膜的静电纺丝工艺,然后电纺制备PVC微/纳米纤维膜,并以之为基体通过表面接枝聚合法接枝了N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)/甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)/丙烯酰胺(AM)等亲水性烯烃类单体,结果发现PVC微/纳米纤维膜的水接触角从137±0.5°均降到了60°左右,亲水性大为改善且力学性能能较好地保持,从而解决了疏水PVC微/纳米纤维膜作为过滤材料在处理水基体系时压降大、通量小及膜易被污染的问题。第二部分,通过聚多巴胺(PDA)辅助接枝的方法制备了一种新型PVC@PDA-PEI膜吸附材料,开发出了一种简单通用的氨基接枝改性纳米纤维膜的制备方法。利用多巴胺自聚强粘附特性及聚多巴胺的亲水性、二次反应活性,在电纺PVC纳米纤维膜表面包覆一层PDA进行多氨基功能小分子PEI的接枝,并以Cu2+作为目标污染物系统考察了PVC@PDA-PEI膜对水中重金属离子的吸附性能,结果发现,PVC@PDA-PEI膜对Cu2+有强烈的络合作用,其吸附符合朗缪尔吸附模型且最大吸附量可达33.59 mg·g-1,是未改性的两倍之多。三次吸附脱附循环后PVC@PDA-PEI膜对Cu2+的去除率仅下降了4.7%,有较好的再生性能。通过进一步研究其吸附机理发现,PEI通过迈克尔加成反应接枝后并没有破坏多巴胺原有的儿茶酚结构,并且引入大量氨基可以络合Cu2+,使得膜的Cu2+吸附性能大大提升。这种方法破解了PVC纳米纤维不具有反应活性位点难以进行氨基接枝等功能化改性的难题,为纳米纤维膜的功能化改性提供了新思路。第三部分,基于聚多巴胺辅助表面接枝改性技术提出了一种制备表面化学、拓扑形貌和分离性能可控的荷正电纳滤膜的新方法。通过改变聚酰胺胺树形大分子(PAMAM)代数,可以调控膜表面的荷电性、亲水性、粗糙度和表观形貌及分离性能。当PAMAM代数从G0增加到G2时,膜表面的zeta电位从1.68±0.69 m V增加到9.32±0.73 m V,WCA从52.2±0.7o降低至49.6±0.4o,Ra从8.85 nm减小到3.87 nm。SEM表征表明,PAMAM接枝层可以牢固地附着在PES基质上,PAMAM G2接枝后PES/PDA-PAMAM膜表面相对比较光滑。故当PAMAM代数从G0增加到G2时,PES/PDA-PAMAM膜对Mg Cl2的截留率从83.67%增加到93.15%。此外,长期试验表明PES/PDA-PAMAM膜有很好的结构稳定性和抗污染性能。该方法可以作为一种操作简便、条件温和及可控的方法,根据实际应用需要设计新型的荷正电纳滤膜。
【关键词】：表面接枝改性 高分子膜材料 静电纺丝 多巴胺 荷正电纳滤膜
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 文献综述11-25
• 前言11
• 1.1 水处理工艺11-15
• 1.1.1 生物处理法11-12
• 1.1.2 化学处理法12-13
• 1.1.3 物理处理法13-15
• 1.2 膜材料的选择15-16
• 1.2.1 膜的基本特征15
• 1.2.2 膜材料的种类15-16
• 1.3 高分子膜的制备及其结构控制16-19
• 1.3.1 相转变法16-17
• 1.3.2 应力场下熔融挤出-拉伸法17-18
• 1.3.3 热诱导相分离法18
• 1.3.4 高分子膜的制备新方法18-19
• 1.4 高分子膜的表面改性方法19-23
• 1.4.1 表面涂覆改性19
• 1.4.2 表面吸附改性19
• 1.4.3 表面磺化改性19-20
• 1.4.4 界面聚合改性20-21
• 1.4.5 表面接枝聚合法21-22
• 1.4.6 多巴胺仿生修饰22-23
• 1.5 本论文研究思路和研究内容23-25
• 第二章 一种具有持久亲水性接枝改性聚氯乙烯微/纳米纤维薄膜的制备和表征25-46
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-31
• 2.2.1 主要试剂及仪器26-27
• 2.2.2 静电纺PVC微/纳米纤维膜27-28
• 2.2.3 PVC微/纳米纤维膜的亲水化改性28-30
• 2.2.4 亲水化改性PVC微/纳米纤维膜的表征30-31
• 2.3 结果与讨论31-45
• 2.3.1 PVC微/纳米纤维膜的静电纺丝工艺31-39
• 2.3.2 亲水化改性PVC微/纳米纤维膜的形貌39-41
• 2.3.3 亲水化改性PVC微/纳米纤维膜的表面结构41
• 2.3.4 亲水化改性PVC微/纳米纤维膜的表面化学组成41-42
• 2.3.5 亲水化改性PVC微/纳米纤维膜的水接触角42-43
• 2.3.6 亲水化改性PVC微/纳米纤维膜的力学性能43-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 PDA介导表面功能化电纺纳米纤维膜的制备和表征及铜离子吸附性能研究46-67
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-52
• 3.2.1 主要试剂及仪器47-48
• 3.2.2 PDA介导氨基功能化PVC纳米纤维膜的制备48-50
• 3.2.3 PDA介导氨基功能化PVC纳米纤维膜的表征50
• 3.2.4 PDA介导氨基功能化PVC纳米纤维膜的性能评价50-52
• 3.3 结果与讨论52-66
• 3.3.1 修饰前后电纺纳米纤维膜的微纳米结构的变化52-53
• 3.3.2 修饰前后膜表面亲水性的变化53
• 3.3.3 修饰前后膜表面的化学组成的变化53-54
• 3.3.4 修饰前后膜表面的元素组成的变化54-55
• 3.3.5 吸附性能评价55-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 PDA辅助聚砜膜接枝PAMAM制备荷正电纳滤膜的研究67-86
• 4.1 引言67-68
• 4.2 实验部分68-73
• 4.2.1 主要试剂及仪器68-69
• 4.2.2 聚酰胺胺树形大分子的合成及表征69-71
• 4.2.3 PES/PDA-PAMAM膜的制备71-72
• 4.2.4 PES/PDA-PAMAM膜的表征72
• 4.2.5 PES/PDA-PAMAM膜的分离性能评价72-73
• 4.3 结果与讨论73-85
• 4.3.1 PAMAM的合成73-74
• 4.3.2 PES/PDA-PAMAM膜表面的化学结构74-76
• 4.3.3 PAMAM在PES/PDA膜表面的元素组成76-77
• 4.3.4 PES/PDA-PAMAM膜的表面形貌77-80
• 4.3.5 PES/PDA-PAMAM膜表面亲水性和荷电性80-81
• 4.3.6 PES/PDA-PAMAM膜的分离性能81-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第五章 总结与展望86-88
• 5.1 总结86-87
• 5.2 展望87-88
• 参考文献88-100
• 致谢100-101
• 作者简介101-102
• 导师评阅表102

【参考文献】

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本文编号：319847