高分子膜材料的研究概況

1、高分子膜材料的研究概況摘 要: 高分子膜具有制備簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定以及與指示劑相容性好等 特點(diǎn)。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(yīng)用等方面綜述高分子膜材料的研究進(jìn)展情況 , 同時(shí)概要敘 述高分子膜材料今后的發(fā)展遠(yuǎn)景。關(guān)鍵詞 : 高分子膜；蒸餾性膜；透過(guò)性膜；膜的電性；膜的應(yīng)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(duì)它進(jìn)行 較系統(tǒng)的研究還是近年來(lái)才開(kāi)始的。 在20年代 , 由于石油工業(yè)的發(fā)展 促進(jìn)了三大合成材料品種的不斷增多 , 高分子膜的應(yīng)用范圍也在逐 漸擴(kuò)大。 由包裝膜開(kāi)始 , 到30年代已將纖維素膜應(yīng)用于超濾分離； 40 年代則出現(xiàn)了離

2、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(shù)；60年代由加拿大和美國(guó)學(xué)者分別成功地制造出了高效能膜 和超過(guò)濾膜 , 總之 , 國(guó)外高分子膜技術(shù)的發(fā)展是很迅速的。近年來(lái) , 我國(guó)的科研工作者也開(kāi)始重視這方面的研究 , 膜的種類及應(yīng)用領(lǐng)域 在不斷擴(kuò)大 , 其中用量最大的是選擇性分離膜 , 如離子交換膜、 微孔 過(guò)濾膜、超過(guò)濾膜、液膜、液晶膜等。目前已應(yīng)用的領(lǐng)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(nóng)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(guān)于高 分子膜材料的研

3、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(cè)定方法，兩者結(jié)合起來(lái)可以探討膜的性能與合成條件之間 的關(guān)系，從而達(dá)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(kāi)法、等離子體聚合法、相轉(zhuǎn)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(shí)，用水面展開(kāi)法 為好。在膜的性能中，透過(guò)或分離性能最為重要，其分離特性與孔徑 大小有很大關(guān)系，所以測(cè)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(guò)性膜的

4、透過(guò)性是高分子膜材料非常重要的性能之一，幾乎所有關(guān) 于膜的報(bào)道都涉及此性能。幾種常見(jiàn)高分子膜的透過(guò)性見(jiàn)表1.表2幾種離分子腫的透過(guò)性膜的名稱透過(guò)ft (cm3Ann2 s ” Pa)高分子超薄膜EJq : Z25X 10 1有機(jī)硅交聯(lián)共聚膜國(guó)抵:257 x 10 T“等離產(chǎn)體聚合膜憎：3.3? x 10臥側(cè)基聚芳醋酮膜網(wǎng).:llx 10 11聚酰亞胺噸7.5x 10 M表中數(shù)據(jù)充分說(shuō)明高分子膜材料具有良好的氣體透過(guò)性 ，利用它對(duì) 各種氣體的透過(guò)性不同可以達(dá)到分離的目的。 為了更有效地控制膜的 透過(guò)性 , 許多研究者對(duì)影響膜透過(guò)性的因素進(jìn)行了探討嘆實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明, 膜的透過(guò)性與溫度、膜厚度、化學(xué)

5、組成、制備工藝條件以及膜 的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)有著密切的關(guān)系。對(duì)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(guò)率研究結(jié)果發(fā)現(xiàn) , 膜的透過(guò)率對(duì)溫 度的依賴性僅與膜的組成材料有關(guān)。2.2 膜的蒸餾性膜蒸餾是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型分離技術(shù) , 它是以蒸氣壓差為 動(dòng)力的膜分離過(guò)程 , 其特點(diǎn)是在常壓下和適當(dāng)溫度下可以處理高濃 度的溶液。如在水溶液的膜蒸餾過(guò)程中 , 憎水的微孔膜把不同溫度的 水溶液隔開(kāi) , 而暖側(cè)的水蒸氣在蒸氣壓差作用下 , 不斷通過(guò)膜孔進(jìn) 人冷側(cè)而冷凝 , 從而達(dá)到膜蒸餾目的。如當(dāng)聚偏氟乙烯膜的孔徑為0.1 mm,溫差為30C （暖側(cè)50C ,冷側(cè)20C）,鹽水濃度0.3m

6、ol,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(dǎo)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(dǎo)電率的材料 , 但因它有難溶、難熔、難 加工的缺點(diǎn)使其實(shí)用受到很大限制。 目前有許多研究工作是通過(guò)聚毗 咯與其他柔性高聚物在分子水平上進(jìn)行復(fù)合 , 而獲得具有高的力學(xué) 性能和導(dǎo)電功能的高分子復(fù)合材料。PPY /PV分子復(fù)合膜的導(dǎo)電性能、 結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及力學(xué)性能的研究結(jié)果表明 , 該復(fù)合膜比導(dǎo)電率在10-310-4 s/cm。 SEMffl察PPY/P

7、V膜斷口形態(tài)不同于PV（基體膜， 它形成柱狀而又互相連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與PPV/nafion爪復(fù)合膜的島 嶼結(jié)構(gòu)形態(tài)也不相同。其模量溫度譜與 PV（膜也不同，模量隨溫度的 變化有個(gè)較平緩的變化區(qū)，溫度到80C時(shí)仍保持一定模量值，這說(shuō) 明該膜有較大的剛性和較好的耐熱性。 還有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)電聚合聚苯胺膜 具有良好的電極電色效應(yīng) , 它的循環(huán)伏安曲線有三對(duì)峰分別對(duì)應(yīng)黃 綠色 . 綠色和藍(lán)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(yīng)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(yīng)用， 卻很有 競(jìng)爭(zhēng)力。CQ回收膜：是日本工業(yè)技術(shù)院化學(xué)技術(shù)研究所新發(fā)明的一種環(huán) 境保護(hù)膜 , 它是用

8、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(dá)到世界 先進(jìn)水平。廢水凈化膜： 瑞典發(fā)明。它主要依靠一個(gè)命名為“ Antric ” 的 廢水處理系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)是塔狀結(jié)構(gòu) , 塔中固體表面生長(zhǎng)一層生物膜 當(dāng)廢水從膜上滴下 , 塔內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生厭氧環(huán)境 , 使廢液中有機(jī)物去除 , 同時(shí)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(wú)毒。診測(cè)癌患膜：日本醫(yī)學(xué)家將蠶絲溶解、 干燥制成一種超純絲素膜 , 附上與抗原反應(yīng)的單克隆抗體后 ,即可用來(lái)診斷癌癥。由于它可使抗 體固化在素膜上 , 加人血液與過(guò)氧化酶標(biāo)記的抗體

9、后 , 通過(guò)用裝有 載電極的免疫傳感器測(cè)定癌細(xì)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(jìn)聚乙烯 材料制成五種除臭薄膜，可除去7090%勺抓硫醇，硫化氫，甲服四 大惡臭。時(shí)間至少保持 24小時(shí)。同時(shí)還可除去體臭以及衛(wèi)生間、 廚房、 飼養(yǎng)場(chǎng)和醫(yī)院等場(chǎng)所勺臭味。食品控氣保鮮膜：美國(guó)Htrcules公司采用一種新的食品保鮮膜， 它是利用新型勺聚合物薄膜制成勺包裝材料。 其技術(shù)勺關(guān)鍵是采用一 種帶有細(xì)小氣孔的薄膜。 這種薄膜能控制包裝內(nèi)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(biāo)簽直接覆蓋在密封容器的通

10、氣孔上 , 通過(guò)將適宜的包裝材料與新 鮮食品的特性結(jié)合 , 來(lái)實(shí)現(xiàn)包裝內(nèi)的最佳氣氛控制。超銅電導(dǎo)膜 ： 日本筑波大學(xué)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(zhǎng) 20厘米、寬 3厘米、厚 50微米。 在制法上其關(guān)鍵在于采用了向列型液晶。 當(dāng)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(huì)產(chǎn)生高分子反應(yīng)。 生成 的聚乙炔分子與液晶一起伸展結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)金屬原子那樣的排列形式 , 所以易于導(dǎo)電。其電導(dǎo)率目前已達(dá) 12000西門子厘米 , 但世界各國(guó)的 研究目標(biāo)則是實(shí)現(xiàn) 100000西門子厘米。無(wú)電阻耐蝕膜 ： 日本東洋蘇打制造公司與佐上中心化學(xué)實(shí)驗(yàn)室合

11、 作制成一種高性能氛基陰離子交換膜。 這是通過(guò)高分子反應(yīng) , 把氛基 陽(yáng)離子交換膜改變?yōu)榫哂嘘庪x子型陰離子交換基極性開(kāi)關(guān)的一種膜。該膜能耐受60C氯飽水處理1500小時(shí)而不會(huì)產(chǎn)生不良影響。這一時(shí)間 大約為烴基膜的倍。此外在60C的6N的硝酸溶液中處理幾百個(gè)小時(shí)， 對(duì)其電阻和化學(xué)結(jié)構(gòu)也不會(huì)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(lái)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(dǎo)膜：美國(guó)勞倫斯一伯克利實(shí)驗(yàn)室利用在放電過(guò)程中打斷化 學(xué)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(qiáng) 淀積法 , 它使用一臺(tái)

12、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300350C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(dǎo)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(xué)最近開(kāi)發(fā)出僅有一個(gè)分子厚的塑料薄膜。 這種薄膜用聚酞亞肢樹(shù)脂制成為世界最薄的膜可用作砷化稼半導(dǎo)體 的絕緣膜和液晶顯示器的基盤膜等。聚光貯電膜：美國(guó)波音公司最近發(fā)明一種能將陽(yáng)光聚集并轉(zhuǎn)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(shí) , 它 幾乎把 30%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換

13、成電能。阿爾科太陽(yáng)能公司制造的光電池薄 膜，它大小為11.4 X 35.5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(yīng)汽車上的收音機(jī)、電視機(jī)、點(diǎn)煙 器等電器設(shè)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(guò)可見(jiàn)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(yuǎn)景 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 , 迫切需要耐化學(xué)性能和耐熱性能優(yōu)良的 分離膜來(lái)滿足生物工程、 食品及有機(jī)化工等領(lǐng)域的轟求。 近年來(lái)合成 的聚芳醚酮微孔濾膜 , 由于結(jié)構(gòu)特殊 , 不僅具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性 , 而且力學(xué)性能、電性能也很好。在上述領(lǐng)域可望得到廣泛應(yīng)用。磺化 聚礬是一種親水性陰離子聚電解質(zhì) , 具有強(qiáng)度好、 耐酸堿、抗細(xì)菌侵 蝕等優(yōu)點(diǎn) , 由它制得的膜可望在海水淡化、 有機(jī)共沸物分離等方面得 到廣泛應(yīng)用。具有良好應(yīng)用前景的膜還有膜 , 在生物膜模型、 微電子 器件、非線性光學(xué)傳感器方面也有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。 此外 , 用等 離子體表面改性的液晶復(fù)合富氧膜在節(jié)約能源、 環(huán)境保護(hù)和醫(yī)藥衛(wèi)生 等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn) 【1】耿奎士，董然。合成樹(shù)脂及塑料， 1993年第