高通量Al2O3/PVDF杂化膜相变过程及成膜规律的研究

通过高活性基团和强螯合性配体分别对PVDF有机大分子和Al2O3无机前体进行化学改性，采用溶胶-凝胶法制备由化学键牢固连接的高通量Al2O3/ PVDF杂化膜，研究杂化膜的分相过程和成膜规律，从结晶、凝胶、固化等阶段研究膜孔形成过程。重点研究功能性配体改性无机前驱体异丙醇铝和偶联剂官能化有机大分子PVDF的修饰过程，探讨膜制备过程中影响因素，建立杂化膜相转化的多元体系相平衡方程和传递模型，研究杂化体系中组分、相、结构、形态、表面/界面相等对膜结构和特性的影响，揭示膜材料的功能性质与微结构间的关系，探讨Al2O3/ PVDF杂化膜微结构的形成机制与控制方法，阐明高分子链的结构、取向、聚集态与膜功能的关系，从热力学和动力学两个方面研究有机-无机杂化膜制备过程的成膜机理，优化适合于高粘度食品体系的Al2O3/ PVDF杂化膜制备工艺，发展复合膜微尺度加工的理论方法，促进面向食品新型膜材料开发。

在PVDF有机基体中引入无机组分Al2O3，制备Al2O3/ PVDF杂化膜，能极大地改善膜性能。目前，国内外对于Al2O3/ PVDF杂化膜的研究，主要集中在膜材料分离等宏观特性、结构表征及性能测试等方面，对于杂化膜的成膜过程和机理尚缺乏深入研究。本项目对Al2O3/ PVDF杂化膜的制备方法、性能表征、相变过程、成膜规律以及孔径调控等开展了一系列研究，主要结果如下：.（1）开展溶胶-凝胶法制备化学键相结合的Al2O3/PVDF杂化膜的研究。异丙醇铝改善膜的分离性能，提高膜的水通量和截留率，增强膜的耐污染能力，而对膜的热稳定性和熔点的影响不明显；（2）建立一种碱改性-化学耦联法制备Al2O3/PVDF杂化膜的方法。PVDF主链上活性基团和偶联剂的引入，提高两相相容性，增强杂化体系中两相界面的结合，明显改善膜的内部结构，纳米粒子对膜具有增强和增韧效果； （3）发明一种纳米Al2O3/ PU/PVDF杂化膜的制备方法。Al2O3/PU/PVDF杂化膜中Al2O3、PU和PVDF三者之间存在键合，形成如O-H键、C=O键等化学键，各组分相互交联，显著增强了杂化膜的亲水性和力学强度。（4）进行Al2O3/PVDF杂化膜的相变过程和相分离特性研究。异丙醇铝改变了杂铸膜液体系的相平衡关系，使其成为热力学不稳定体系，加速了铸膜液的凝胶化过程。不同的铸膜液体系在同一时刻的凝胶速度不同。当异丙醇铝含量达到20%时，凝胶速率下降。（5）建立一种双改性聚合制备Al2O3-Si-PVDF杂化膜方法。利用乙烯基三甲氧基硅烷对Al2O3纳米粒子进行官能化改性，并通过碱处理使PVDF分子产生碳碳双键位点，通过过氧化苯甲酰的聚合制备双改性Al2O3/PVDF杂化膜。双改性聚合杂化膜的水通量和拉伸强度分别增加了25%和60%以上。（6）发明一种梯度孔径分布的高强度Al2O3/PVDF管式膜的方法。在烧结法制备高强度二元梯度结构的PVDF基膜基础上，采用热致相变法制备由化学键牢固连接、孔径均匀的Al2O3/PVDF分离层，制备Al2O3/PVDF管式膜具有分离孔径的梯度分布，阻力小，通量大，易于反向清洗等优点，膜机械强度大于3MPa，使用寿命延长1倍以上。.本项目建立了Al2O3/PVDF杂化膜制备新方法，丰富杂化膜微尺度加工的理论，促进新型高通量膜材料开发。