温度和pH刺激响应型智能开关膜的制备与性能研究

发布时间：2020-06-14 01:31

【摘要】：环境刺激响应型智能膜在控制释放、智能控制分离、传感器和手性拆分等方面具有广阔的应用前景。目前关于温度和pH双重响应型智能开关膜的研究报道非常少,而采用原位自组装技术在膜的孔表面构筑微凝胶水开关的智能开关膜研究尚未见到报道。因此,深入研究该类型智能开关膜的制备方法、构效关系和刺激响应机理,从而进一步构筑具有优异开关因子、可逆响应性能的温度和pH响应型智能膜具有重要十分重要的意义。本研究通过在聚合物多孔膜的孔表面和氧化石墨烯层间构筑刺激响应开关的方式,设计并成功制备了三种温度和pH响应智能开关膜。采用二次自由基聚合法制备双响应的P4VP核/PNIPAM壳微凝胶。以聚偏氟乙烯(PVDF)为基膜材料,通过相转化法制备温度和pH响应型智能开关膜(SGMs)。刺激响应微凝胶在相转化过程中发生原位表面偏析并均匀地镶嵌在膜的表面和孔表面上。我们在20~50°C和pH 2~6研究了智能开关膜的水力渗透性能,结果表明所制备的膜具有正温度响应特性和正pH响应特性。其中智能开关膜M2具有最佳的双重响应性能,它的水通量从20°C/pH 2的1.94 kg m~(-2) h~(-1)增加到50°C/pH 6的474.91 kg m~(-2) h~(-1),其开关因子达到245。研究表明,基于不同厚度的PNIPAM壳微凝胶的智能开关膜具有不同的温度和pH响应特性。随着PNIPAM的壳层厚度的增加,膜的温度响应性能得到增强,但其pH响应性能却受到抑制。通过原位组装刺激响应型微凝胶作为多孔膜的开关,制备了一系列单或双重温度/pH响应型智能开关膜。高度交联的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)P(NIPAM-MAA)微凝胶在乙酸辅助的相转化过程中发生原位表面偏析,并且均匀地镶嵌在聚醚砜(PES)膜的表面和孔表面。我们在25~70°C和pH 3~11下测试SGMs的水力渗透性能,发现具有双响应的膜M0.2获得意想不到的高开关因子,其双响应开关因子为134.6。此外,基于不同NIPAM/MAA比例微凝胶的SGMs具有不同的温度和pH响应特性。较高的NIPAM/MAA比例主导膜的温度响应性能,较高的MAA/NIPAM比例主导膜的pH响应性能。这些在表面和孔表面上原位组装微凝胶的SGMs具有增强的开关因子,可逆响应性能和自清洁性能。基于氧化石墨烯(GO)膜中的纳米通道,我们通过过滤-组装法制备了一种正温度和负pH响应的GO/水凝胶复合膜(GOGM)。在GO和微凝胶的自组装过程中,形状脆弱的水凝胶被压扁并嵌合在GO片层之间,同时还起着粘结GO片层的作用。嵌合在GO片之间温度和pH响应水凝胶赋予GO膜可控的水通道,这些可控的水通道主要取决于可变的水凝胶尺寸和不变的GO层间距。研究表明膜的厚度和微凝胶/GO的比例都会影响GOGMs的水渗透性能和响应性能。所制备的智能开关膜具有良好的温度和pH响应性能、可逆响应性能和对小分的智能渗透性能。综上所述,本研究利用相转化技术和自组装技术成功地设计并制备了几种具有温度和pH响应的智能开关膜。通过结构分析、温度和pH响应通量实验、可逆响应实验、自清洁实验和刺激响应渗透/截留实验,证明所制备的智能开关膜具有优异的温度和pH响应性能、可逆响应性能、自清洁性能和智能分离性能。 【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893

【图文】：

分离机理,驱动力

在 20 世纪 60 年代后迅速崛起的一门新型分离技术。经广泛应用于化工、环境、冶金、能源、生化、制药生（人工肾）、海水淡化、和饮用水制备等众多领域，环境效益。其中具有可调孔径/可调表面特性的环境刺术和智能材料的优势，得到越来越多研究人员的关注能膜概述两个连续介质的选择性屏障，它能借助于某种驱动力传递[1; 2]。膜可以是固相、液相和气相，它的厚度从几性是膜的固有特性。如图 1-1 所示，分离膜对多组分体性作用，这一特性使其能够应用于不同组分的分离。驱动力的作用下进行，这种驱动力主要是压力差、电

刺激响应,智能,环境,渗透物质

温度和 pH 刺激响应型智能开关膜的制备与性能研究道闭合，从而阻止物质的透过；当功能组分体积收缩时，膜的孔道开启，这时物质可以自由透过。其三是智能材料均匀地分布在高分子膜内部。这类膜也被称作均质凝胶膜[22]。均质凝胶膜在环境刺激过程中会发生整体膨胀或整体收缩，，从而改变膜的渗透性或选择透过性。这类膜的工作特性属于凝胶扩散机制[23; 24]。当凝胶溶胀时，渗透物质的扩散速率加快；当凝胶收缩，渗透物质的扩散速率减慢。

【参考文献】