高分子膜材料的研究概況.doc

高分子膜材料的研究概況摘要:高分子膜具有制備簡單、性能穩(wěn)定以及與指示劑相容性好等特點。本文介紹高分子膜材料的分類和性能的研究, 著重從高分子膜的性能、應用等方面綜述高分子膜材料的研究進展情況, 同時概要敘述高分子膜材料今后的發(fā)展遠景。關鍵詞:高分子膜；蒸餾性膜；透過性膜；膜的電性；膜的應用。前言：高分子膜雖然很早高分子膜雖然很早就出現(xiàn), 但是對它進行較系統(tǒng)的研究還是近年來才開始的。在20年代, 由于石油工業(yè)的發(fā)展促進了三大合成材料品種的不斷增多, 高分子膜的應用范圍也在逐漸擴大。由包裝膜開始, 到30年代已將纖維素膜應用于超濾分離；40年代則出現(xiàn)了離子交換膜和電滲析分離法；50年代出現(xiàn)了反滲透法膜分離技術；60年代由加拿大和美國學者分別成功地制造出了高效能膜和超過濾膜, 總之, 國外高分子膜技術的發(fā)展是很迅速的。近年來, 我國的科研工作者也開始重視這方面的研究, 膜的種類及應用領域在不斷擴大, 其中用量最大的是選擇性分離膜, 如離子交換膜、微孔過濾膜、超過濾膜、液膜、液晶膜等。目前已應用的領域有核燃料及金屬提煉、氣體分離、海水淡化、超純水制備、污廢處理、人工臟器的制造、醫(yī)藥、食品、農業(yè)、化工等各方面。1.高分子膜材料的分類和性能研究目前高分子膜材料的種類繁多, 而且分類方法也不同, 關于高分子膜材料的研究方法一般包括兩方面：一是膜的制備方法, 二是膜的性能測定方法, 兩者結合起來可以探討膜的性能與合成條件之間的關系, 從而達到有目的地合成性能優(yōu)異的膜材料。目前一般常用的合成方法有溶液鑄膜法、水面展開法、等離子體聚合法、相轉換法、完全蒸發(fā)法、紫外光照射接枝法、熔融壓膜法等。選用哪種合成方法合適, 主要由研究目的決定, 如欲制得極薄的膜時, 用水面展開法為好。在膜的性能中, 透過或分離性能最為重要, 其分離特性與孔徑大小有很大關系 , 所以測定孔徑大小的方法就成為研究的主要手段。常用的方法有泡壓法、濾速法、氣體滲透法、壓汞法、吸附法、電子顯微鏡法等2. 高分子膜的性能研究2.1膜的透過性膜的透過性是高分子膜材料非常重要的性能之一, 幾乎所有關于膜的報道都涉及此性能。幾種常見高分子膜的透過性見表1.表中數(shù)據(jù)充分說明高分子膜材料具有良好的氣體透過性, 利用它對各種氣體的透過性不同可以達到分離的目的。為了更有效地控制膜的透過性, 許多研究者對影響膜透過性的因素進行了探討嘆實驗結果表明,膜的透過性與溫度、膜厚度、化學組成、制備工藝條件以及膜的微觀結構形態(tài)有著密切的關系。對甲基硅橡膠、乙丙橡膠、低密度聚乙烯及天然橡膠膜的氧、氮透過率研究結果發(fā)現(xiàn), 膜的透過率對溫度的依賴性僅與膜的組成材料有關。2.2膜的蒸餾性膜蒸餾是近年來發(fā)展起來的新型分離技術, 它是以蒸氣壓差為動力的膜分離過程, 其特點是在常壓下和適當溫度下可以處理高濃度的溶液。如在水溶液的膜蒸餾過程中, 憎水的微孔膜把不同溫度的水溶液隔開, 而暖側的水蒸氣在蒸氣壓差作用下, 不斷通過膜孔進人冷側而冷凝, 從而達到膜蒸餾目的。如當聚偏氟乙烯膜的孔徑為0.1,溫差為30（ 暖側50 , 冷側20） ,鹽水濃度0.3mol, 鹽水流量10ml/s, 蒸餾通量5565kg/m2.d, 截流率近于100%。2.3膜的電性能高聚物大部分是不導電的材料, 所以它能在電器工業(yè)上作絕緣材料使用。隨著膜材料研究的發(fā)展, 具有各種良好電性能的膜也相繼出現(xiàn)。如聚毗咯就是具有高導電率的材料, 但因它有難溶、難熔、難加工的缺點使其實用受到很大限制。目前有許多研究工作是通過聚毗咯與其他柔性高聚物在分子水平上進行復合, 而獲得具有高的力學性能和導電功能的高分子復合材料。PPY/PVC分子復合膜的導電性能、結構、形態(tài)以及力學性能的研究結果表明, 該復合膜比導電率在10-310-4 s/cm。SEM觀察PPY/PVC膜斷口形態(tài)不同于PVC基體膜,它形成柱狀而又互相連接的網(wǎng)絡結構, 與PPV/nafion爪復合膜的島嶼結構形態(tài)也不相同。其模量溫度譜與PVC膜也不同, 模量隨溫度的變化有個較平緩的變化區(qū), 溫度到80 時仍保持一定模量值, 這說明該膜有較大的剛性和較好的耐熱性。還有文獻報導電聚合聚苯胺膜具有良好的電極電色效應, 它的循環(huán)伏安曲線有三對峰分別對應黃綠色 .綠色和藍綠色之間的顏色互變, 因此可作為變色電極材料.3.高分子膜材料的應用各種不同類型的高分子膜已經(jīng)在許多方面得到廣泛應用，卻很有競爭力。CO2回收膜：是日本工業(yè)技術院化學技術研究所新發(fā)明的一種環(huán)境保護膜, 它是用聚醚礬合成的一種瓊脂凝膠狀薄膜。這種高分子膜可以分離和回收工廠或火力電廠排放的二氧化碳, 其效率達到世界先進水平。廢水凈化膜：瑞典發(fā)明。它主要依靠一個命名為“ Antric” 的廢水處理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是塔狀結構, 塔中固體表面生長一層生物膜, 當廢水從膜上滴下, 塔內就會產(chǎn)生厭氧環(huán)境,使廢液中有機物去除, 同時產(chǎn)生含硫氣體。這種氣體再經(jīng)清潔器循環(huán)凈化, 即分離出硫元素而廢水亦已變得澄清無毒。診測癌患膜：日本醫(yī)學家將蠶絲溶解、干燥制成一種超純絲素膜, 附上與抗原反應的單克隆抗體后,即可用來診斷癌癥。由于它可使抗體固化在素膜上, 加人血液與過氧化酶標記的抗體后, 通過用裝有載電極的免疫傳感器測定癌細胞所釋放的氧氣的數(shù)量, 即可診斷是否患腸癥。除臭生化膜：日本公司從綠茶中提取黃酮類化合物攪拌進聚乙烯材料制成五種除臭薄膜, 可除去7090%的抓硫醇, 硫化氫, 甲服四大惡臭。時間至少保持24小時。同時還可除去體臭以及衛(wèi)生間、廚房、飼養(yǎng)場和醫(yī)院等場所的臭味。食品控氣保鮮膜:美國Htrcules公司采用一種新的食品保鮮膜, 它是利用新型的聚合物薄膜制成的包裝材料。其技術的關鍵是采用一種帶有細小氣孔的薄膜。這種薄膜能控制包裝內氧氣與二氧化碳的交換, 保持一種能放慢水果和蔬菜呼吸的最佳氣氛。此外, 它還能作為標簽直接覆蓋在密封容器的通氣孔上, 通過將適宜的包裝材料與新鮮食品的特性結合, 來實現(xiàn)包裝內的最佳氣氛控制。超銅電導膜:日本筑波大學與日立制作所合作研制出一種電泉岸高于金屬銅的新型聚乙炔膜, 其膜長20厘米、寬3厘米、厚50微米。在制法上其關鍵在于采用了向列型液晶。當乙炔原料與這種液晶摻在一起, 添加鋁欽系催化劑后, 在磁鐵附近即會產(chǎn)生高分子反應。生成的聚乙炔分子與液晶一起伸展結構上呈現(xiàn)金屬原子那樣的排列形式, 所以易于導電。其電導率目前已達12000西門子厘米, 但世界各國的研究目標則是實現(xiàn)100000西門子厘米。無電阻耐蝕膜:日本東洋蘇打制造公司與佐上中心化學實驗室合作制成一種高性能氛基陰離子交換膜。這是通過高分子反應, 把氛基陽離子交換膜改變?yōu)榫哂嘘庪x子型陰離子交換基極性開關的一種膜。該膜能耐受60氯飽水處理1500小時而不會產(chǎn)生不良影響。這一時間大約為烴基膜的倍。此外在60的6N的硝酸溶液中處理幾百個小時, 對其電阻和化學結構也不會引起任何影響。由于它在含鹵族元素離子的溶液中的電阻較低, 在氯化鈉溶液中的電阻少于1歐姆/厘米2, 因而可用來制造各種高性能電池以及高溫電滲析的隔膜等。亞穩(wěn)態(tài)超導膜：美國勞倫斯一伯克利實驗室利用在放電過程中打斷化學鍵的方法研制成一種新的鎢一氫薄膜。這種方法稱為等離子體增強淀積法,它使用一臺射頻發(fā)生器電離并分解混合氣體, 從而形成一種高活性的離子體。射頻發(fā)生器以數(shù)兆赫的頻率在300350溫度下工作, 因而能夠用六氟化鎢和氫氣產(chǎn)生出鎢原料亞穩(wěn)態(tài)型薄膜。這種薄膜的超導特性要比普通型鎢薄膜好幾倍。超薄絕緣膜：東京工業(yè)大學最近開發(fā)出僅有一個分子厚的塑料薄膜。這種薄膜用聚酞亞肢樹脂制成為世界最薄的膜可用作砷化稼半導體的絕緣膜和液晶顯示器的基盤膜等。聚光貯電膜：美國波音公司最近發(fā)明一種能將陽光聚集并轉換為電能蓄貯使用的新型薄膜。這種薄膜電池分兩層, 第一層由砷化稼和銻化稼組成第二層材料是銅錮二硒化合物。在模擬太空環(huán)境下工作時, 它幾乎把30%的太陽能轉換成電能。阿爾科太陽能公司制造的光電池薄膜, 它大小為11.435.5厘米, 艘蓋在汽車頂篷上, 可源源不斷地將電力貯于蓄電池。其電量足以供應汽車上的收音機、電視機、點煙器等電器設備使用。節(jié)能增光膜：日本公司利用二氧化欽和二氧化硅生產(chǎn)一種多層節(jié)能薄膜。它透過可見光能夠反射熱紅外輻射。由于熱阻很高, 將它涂于白熾燈泡表面, 既不影響發(fā)光, 還能將熱紅外輻射反射到燈絲上, 有助于燈絲加熱。因此管狀鹵鎢燈上涂敷這種薄膜后, 可節(jié)電50%左右。4.高分子膜材料發(fā)展遠景隨著科學技術的不斷發(fā)展, 迫切需要耐化學性能和耐熱性能優(yōu)良的分離膜來滿足生物工程、食品及有機化工等領域的轟求。近年來合成的聚芳醚酮微孔濾膜, 由于結構特殊, 不僅具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性, 而且力學性能、電性能也很好。在上述領域可望得到廣泛應用?；腔鄣\是一種親水性陰離子聚電解質, 具有強度好、耐酸堿、抗細菌侵蝕等優(yōu)點, 由它制得的膜可望在海水淡化、有機共沸物分離等方面得到廣泛應用。具有良好應用前景的膜還有膜, 在生物膜模型、微電子器件、非線性光學傳感器方面也有很大的潛在應用價值。此外, 用等離子體表面改性的液晶復合富氧膜在節(jié)約能源、環(huán)境保護和醫(yī)藥衛(wèi)生等方面都有著廣泛的應用前景。參考文獻【1】耿奎士，董然。合成樹脂及塑料，1993年第10卷?！?