超临界二氧化碳中环境响应型智能膜的制备及其性能研究

鉴于智能膜在控制释放、化学分离、生物分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理等重要领域的杰出表现，结合临界二氧化碳(scCO2)在高分子合成领域很好的应用前景，本课题拟以scCO2为反应介质，在不使用高分子表面活性剂及共溶剂的前提下，天然多糖基微孔膜为基材，构筑温度和pH-敏感的环境响应型智能膜。重点研究合成工艺参数对膜的化学成分、微观结构和环境响应特性的影响；探明接枝率范围的控制、膜孔径大小与改性微孔膜开关可控性的关系，通过扫描电镜、接触角测量仪和水通量实验研究智能膜材料的微观结构与膜的透液性、吸附性能随温度、pH变化的规律性，进而获得这类环境响应型智能膜的设计与制备原则。本项目拟发展简单、安全、节约型的制备环境响应型智能膜材料的绿色方法，其研究成果将为发展仿生功能膜材料的绿色化生产提供科学依据。

鉴于智能膜在控制释放、化学分离、生物分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理等重要领域的杰出表现，结合临界二氧化碳(scCO2)在高分子合成领域很好的应用前景，本课题以scCO2为反应介质，在不使用高分子表面活性剂及共溶剂的前提下，以壳聚糖、聚偏氟乙烯膜为基材，N’-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸、羟甲基丙烯酰胺等为功能单体制备了四类温度和pH-敏感的环境响应型智能膜。重点研究了合成工艺参数对膜的化学成分、微观结构和环境响应特性的影响；通过扫描电镜、接触角测量仪和水通量测试研究智能膜材料的微观结构与膜的透液性、吸附性能随温度、pH变化的规律。研究结果表明：当单体浓度由1.05×10-2 g/mL增大至3.05×10-2 g/mL时，CS-g-PAA膜的接枝率由9.97%增大至22.33%。在pH=2～7的范围内，CS-g-PAA膜的水通量随pH值的增大而下降。当温度高于LCST=32oC时，温度、pH双重响应型CS膜表面的孔由于PNIPAm链段的收缩使得膜孔径增大，导致CS接枝膜水通量较大。同时，随着接枝率的提高，CS接枝膜的水通量减小。异丙基丙烯酰胺接枝改性后PVDF 膜的纯水接触角减小，由未改性前的124°降至66°，促使PVDF膜的表面能降低，从而提高了PVDF膜的亲水性。由丙烯酸和羟甲基丙烯酰胺双功能单体对PVDF膜进行接枝改性，制备了pH-响应型PVDF膜。通过考查单体配比、引发剂浓度、反应温度、反应压力等因素对接枝率的影响，获得了优化反应条件。在pH=2～10的范围内，接枝改性的PVDF膜随着pH值的减小，水通量明显增大，并且接枝率越高，在相同pH值下的水通量越大。此类PVDF膜的接触角测试表明：接枝率由6.4%增加到19.2%时，接触角由84°减小到34°；此接枝PVDF膜对亚甲基蓝的吸附能力随pH增大而增大，有望应用于工业印染废水处理。. 通过该项目的研究工作，形成了温度、pH 响应特性的智能膜材料绿色合成方法与设计原则；为多重响应开关功能膜的绿色化制备提供实践基础。申请发明专利2项，已发表与本项目相关论文6篇，修回1篇，3篇审稿中。