聚丙烯腈多孔材料的热致相分离法制备及其应用基础研究

【摘要】聚丙烯腈多孔材料具有耐惰性溶剂、耐细菌侵蚀、优良的热和化学稳定性等优点,已被广泛应用于水处理、渗透汽化、酶固定化、生物医药、炭材料等领域。然而,目前其制备手段仍局限于浸没沉淀相转化法,极大地限制了此类材料的进一步发展。作为另一种制备多孔材料的常用方法,热致相分离法以其机理明确和易于控制的优点受到研究者的青睐。本文筛选了一种适合于聚丙烯腈的结晶性稀释剂体系,在此基础上研究了其与聚丙烯腈的热致相分离机理,并用于聚丙烯腈多孔材料的制备、调控及其炭化应用,以期拓展聚丙烯腈的应用范围、丰富热致相分离法的适用领域。具体研究工作内容如下：基于密度泛函理论计算了聚丙烯腈模型分子与溶剂分子(二甲基砜、二甲基亚砜、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺)的相互作用。组合浓度、温度相关FTIR和二维红外光谱分析法研究了聚丙烯腈分子链在溶剂中的变化和溶解过程。计算和实验结果表明,二甲基砜与聚丙烯腈的偶极-偶极相互作用最强,二者存在高温溶解、低温分相的热致相分离特点,可选为聚丙烯腈的结晶性稀释剂。采用DSC、POM、WAXD、SAXS等测试手段研究了聚丙烯腈/二甲基砜体系的结晶行为,绘制了二元相图。该体系发生固-固热致相分离,改变其聚合物浓度制备了具有蜂窝状和柱状孔结构的聚丙烯腈多孔泡沫,其孔结构复刻了二甲基砜在混合体系中的晶体形态。此外,详细探讨了该体系中大尺寸球晶的形态、结构、形成机理。证实了二甲基砜的结晶性及其与聚丙烯腈的偶极-偶极相互作用是形成大球晶的必要条件。借助热台光学显微镜和DSC等方法研究了聚丙烯腈/二甲基砜/添加剂(丙三醇或聚乙二醇)三元体系的液-液热致相分离过程和液滴生长动力学,绘制了相图。采用预混合加料和一步成型路线,制备了结构多样、孔均匀、孔隙率高、机械性能优良的聚丙烯腈多孔膜。研究结果表明,液-液相分离温度、液滴生长速率、膜孔结构、水通量、机械性能受到聚合物浓度、添加剂含量、聚乙二醇分子量、冷却速率等因素的影响。采用FTIR、SEM、称重法等方法考察了以聚丙烯腈多孔膜为前体在氧化稳定和炭化过程中聚合物结构、孔形貌、质量损失率等变化。在最佳的升温速率、最高温度、恒温时间等热处理条件下制备了以胞腔孔为主的结构均匀、比表面积大的多孔炭膜。与刚果红、罗丹明B相比,多孔炭膜对甲基橙表现出良好的选择性吸附性和重复使用性能。
【作者】吴青芸；
【导师】徐志康；
【作者基本信息】浙江大学，高分子化学与物理，2013，博士
【关键词】聚丙烯腈；多孔材料；热致相分离；结晶；偶极-偶极相互作用；固-固相分离；液-液相分离；泡沫；分离膜；炭材料；吸附；

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