【摘 要】
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多孔聚合物膜在分离、储能、柔性电子、生物医学等方面有广泛的应用。膜在这些应用中的性能主要取决于膜的特性,比如:有序度、孔道尺寸、表面双亲性、表面化学性质和膜厚度等。显然,膜特性的控制与其制备方法和制备过程的控制是不可分割的,为此,人们发展了多种制备策略,比如:界面聚合,自组装,Langmuir-Blodgett(LB)技术和基质修饰等方法。在这些方法中,大多是以界面为模板,通过单体/构建单元的设计
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会; 教育部;
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多孔聚合物膜在分离、储能、柔性电子、生物医学等方面有广泛的应用。膜在这些应用中的性能主要取决于膜的特性,比如:有序度、孔道尺寸、表面双亲性、表面化学性质和膜厚度等。显然,膜特性的控制与其制备方法和制备过程的控制是不可分割的,为此,人们发展了多种制备策略,比如:界面聚合,自组装,Langmuir-Blodgett(LB)技术和基质修饰等方法。在这些方法中,大多是以界面为模板,通过单体/构建单元的设计、合成和选择,聚合/聚集方法的选择和控制,组成和和制备过程中的优化等,可获得不同性质和功能的聚合物膜。然而,在膜的科学领域中,随着应用需求的不断提高,在膜的孔结构特征、化学性质、均一性和力学性能等方面的精确控制并未获得很好解决。比如纳滤膜中,如何兼得高通量和高选择性目前面临许多巨大挑战;对于传感膜来说,膜的光学稳定性、膜的通透性和重复利用性等方面存在很多问题;在柔性电子膜方面,如何控制膜的力学性质、力学与电学性质匹配性和耐疲劳性等与其实际应用也具有一定差距。本实验室一直研究双亲小分子结构与液-液界面稳定的相关性,并以相应乳液体系为模板,制备结构可调的多级孔材料。因此,利用实验室在双亲小分子设计与界面行为的研究基础,基于界面模板法,通过结构可精确设计的双亲小分子调控膜的界面结构和性质,有望在膜的孔道结构、力学性质、润湿性和表面化学等性能的精准控制方面做出贡献。在以上的研究背景下,本论文研究工作结合了实验室的胆固醇类双亲性衍生物的合成基础以含双键的胆固醇双亲衍生物、三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)和四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PETMP)为聚合物质,在液-液界面光聚合获得了一系列聚合物膜。所得聚合物膜透明且完整均匀,其厚度、柔性、润湿性和渗透性具有一定可控性,有望应用于选择性分离。具体来说,主要包含以下两个部分工作:第一部分工作中,基于双亲胆固醇衍生物分子(SBCHOL)形成的液-液界面,以TEGDMA和PETMP作为交联剂,通过液-液界面的紫外光引发的巯基-烯键聚合反应制备了一系列柔性聚合物膜,所得膜在干态下仍透明均匀,且具有自支撑性和柔性,同时,膜性质可通过调节SBCHOL和交联剂的含量进行调控。实验发现有机溶剂对膜能否成功制备至关重要,经过优化发现二氯甲烷与乙醚混合物作为溶剂时,所得膜均匀且结构完整。研究表明,随着SBCHOL和交联剂含量的增加,膜越致密、厚度越大、柔韧性越好、同时膜油相侧更加疏水。此外,在膜制备过程中,用PVP作为致孔剂来调控膜的性质,选择了三种不同分子量区间的PVP.分别 为 PVP K-30(45000-58000)、PVP K-60(270000-400000)和 PVP K-90(1000000-1500000),研究表明,三种不同分子量的PVP均会使膜油相侧的疏水性降低,其中PVPK-60对膜两侧亲疏水的影响最为显著。其次,膜在干态下的拉伸实验表明其具有良好的机械性能,TGA实验表明所得膜具有良好的热稳定性。第二部分工作中,考察了所得柔性聚合物膜的活化、耐溶剂、溶胀性、渗透性能。首先,通过二氯甲烷、乙醇、四氢呋喃对膜进行活化,实验结果表明乙醇对于膜的活化性能最好,乙醇活化后膜微观形貌有明显改变,膜两侧均有孔出现,有望进一步改善膜的渗透性。此外,膜的耐溶剂性研究表明,仅二氯甲烷对膜有明显破坏作用,而在丙酮、乙醚、苯、甲醇、乙醇、正庚烷中长时间浸泡膜性质并未有所改变。在膜的溶胀性研究中发现,膜在乙醇中的溶胀率最高,在烷烃类溶剂中的溶胀性比较差。最后进行了膜渗透性能的探究,发现膜对常见有机溶剂(甲醇、乙醇、丙酮)有较好的通过率,而水不能透过,而且交联剂含量和PVP的添加对膜的渗透性有显著影响。
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