疏水性渗透汽化中空纤维双层复合膜的动态共挤出一次成型研究

本项目拟探索合成疏水性渗透汽化复合膜的新思路：以聚酰亚胺硅氧烷和聚酰亚胺分别作为选择层和支撑层材料，结合动态同步推出和非溶剂相转化合成非对称中空纤维双层复合膜。该设计的优势在于选择层和支撑层宏观上同步相变固化，简化了复合过程且能防止孔渗及其间接导致的复合膜分离性能低的后果；其次，界面处分属两层的聚酰亚胺链段的极性相互作用和化学交联可避免两层粘着失效从而赋予选择层良好的稳定性。因此，它能有效地解决传统疏水膜复合技术的缺陷。基于上述构想，项目将开展一系列基础研究以：1) 确立聚酰亚胺硅氧烷及其溶液的物理化学性质与表层微观形态之间的关系， 2）阐释双层膜界面形态特征的演变规律并初步提炼出一定的理论体系，3）明确材料的化学结构、复合膜界面结构和化学改性条件与有效地建立两层材料在界面的共价连接的相关性。研究将为构筑下一代以产业化运用为目标的高性能亲油性渗透汽化膜积累基础依据。

亲油性渗透汽化膜分离技术在众多领域有着良好的运用前景。其低污染、高能效的特点对过程工业可持续发展有重要意义。目前，以工业运用为目标的亲油性膜大都是用疏水性的高聚物形成选择结构和高强度的高聚物制作支撑结构的复合膜。本项目针对国内外疏水性渗透汽化膜制备技术现状，提出了亲油性渗透汽化复合膜的制备新思路：以聚酰亚胺硅氧烷和聚酰亚胺分别作为选择层和支撑层材料，结合同步推出一次成型和非溶剂相转化原理制作非对称双层复合膜。主要研究内容和结论如下：.首先研究了聚酰亚胺硅氧烷材料的合成，探讨了极性硬链段类型，硅氧烷嵌段单长度，扩链剂和单体嵌段比对共聚物的物理化学性能和本征分离性能的影响。研究发现采用了扩链剂的三元聚酰亚胺硅氧烷相对于二元聚合物的机械强度并无明显提升；而且由于扩链剂的刚性较高，三元聚合物的基于筛分机理的亲水性有所上升。该部分工作为后续相变制备疏水性渗透汽化复合膜的制备提供了技术基础。.然后研究了聚酰亚胺硅氧烷高聚物溶液的非溶剂诱导相变和固化特征。为了保证聚酰亚胺硅氧烷膜的机械性能，实验采用聚酰亚胺硅氧烷/聚醚酰亚胺/无纺布三层复合膜的结构。研究发现聚酰亚胺硅氧烷铸膜液中含有亲水性添加剂时，通过非溶剂致相分离形成的薄膜会有大量微米级孔洞的存在；不含添加剂的溶液则生成均匀致密的聚酰亚胺硅氧烷薄层。这部分工作为聚酰亚胺硅氧烷/聚醚酰亚胺双层膜的非溶剂致相分离成膜提供了实验和理论基础。.最后探讨了共挤出成型非溶剂致相分离聚酰亚胺硅氧烷/聚醚酰亚胺双层复合中空纤维膜的形态结构和分离性能。研究发现内外层铸膜液溶剂溶解度参数的相似度，外凝胶浴的表面张力和外层溶液的流速会影响聚酰亚胺硅氧烷层宏观完整性。最厚的聚酰亚胺硅氧烷层仅在2μm左右，两层结构相互附着良好。聚醚酰亚胺支撑层疏松多孔，并且其在界面处的结构含有大量的微米级孔。上述中空纤维复合膜的通量很高 (>10kg/m2-hr)，但分离性能不佳；后续涂层处理使复合膜分离性能趋近涂层材料聚二甲基硅氧烷的本征值。.研究表明在对实验条件进行选择或控制的前提下，共挤出一次成型途径可以获得结构特征满足复合膜要求的疏水性渗透汽化膜。项目提出的制备方法基本可行，为疏水性渗透汽化膜的制备提供了新思路。