高分子多孔膜:基于宏观形变的微观孔结构调控与研究

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孔尺寸和几何形状是决定多孔材料性能重要的结构参数,对其进行主动和精确调控是多孔材料研究与应用的核心内容。目前对于孔尺寸参数的优化以及几何形状的调控主要集中膜制备环节,调控范围较为有限,“精确性”有待进一步提高。因此建立“孔形貌进行连续性、定量化调控”新策略便成为该领域面临的重要任务。鉴于此,本文提出了“基于宏观形变调控微观孔结构”的新策略。通过Breath Figure和圆形柱状阵列的模板法,基于具有形状记忆性能的聚合物聚乳酸,构筑具有规整形貌的表面/贯通孔膜。通过外力的拉伸(单轴和双轴),实现对微观孔尺寸和几何形状精确调控。对于表面孔膜,本文通过单轴拉伸系统的探究其浸润性变化,从而建立液滴定向运输的控制策略。对于贯通孔膜,通过单轴拉伸提高分离性能;结合双轴拉伸/回复,实现固体微粒的精确筛分以及解决分离过程中膜孔堵塞问题。论文以聚乳酸为材料,建立孔精确调控新策略,深入理解微观孔结构与宏观性能之间的关系,具体研究内容包括以下三个方面:(1)形状记忆蜂巢膜:基于单轴拉伸的结构调控及其在液滴可编程移动中的作用:基于Breath Figure法,构筑具有蜂巢结构的表面孔膜,通过单轴拉伸系统调控孔的尺寸以及研究液滴在膜上各向异性浸润行为。在较低的拉伸比下,拉伸方向与垂直于拉伸方向两端接触角差异过小,液滴按照重力方向进行滚动。随着拉伸比例的提高,由于孔形貌各向异性形状的影响,垂直于拉伸方向接触角降低,从而增大了液滴与膜的接触面积,提高了膜对液滴的控制能力。因此,在适当的宏观拉伸比例下,液滴能够按照膜放置的方向进行滚动。在V型表面,实现了液滴的自动拐弯。(2)狭长孔:基于形状记忆效应/单轴拉伸的构建及其在解决Trade-off效应中的作用:基于柱状阵列的硅模板,通过反向复制,制备了具有正方形孔形状且均匀排列的垂直通孔膜。通过单轴拉伸,孔长度变长宽度变窄,形成各向异性的狭缝孔。相较于未拉伸的膜,形变之后其通量比未拉伸时最大可提高2倍,截留量提高近22%。对膜进行不同方向的拉伸,可以将方形孔拉伸为菱形和矩形两种孔形状。研究发现,菱形孔具有更高的选择性,矩形孔具有更好的渗透性。通过单轴拉伸形成不同孔几何形状的各向异性多孔膜,为解决分离中的Trade-off效应提供了全新的思路。(3)形状记忆垂直通孔膜结构的单/双轴拉伸调控及其在精确筛分/膜抗污染中的应用:将以上制备的方形孔膜进行不同比例的双轴拉伸,精确构筑不同孔径尺寸的多孔薄膜,可分离多种组分低浓度PS微球,分离精度可达2μm。当筛分高浓度混合PS微球时,分离过程中存在膜孔堵塞、滤饼层等影响,导致筛分效率降低从而造成膜污染。通过对被污染膜进行双轴拉伸,提高孔径尺寸并加以清水冲洗,可消除膜污染的影响。基于形状记忆性能,可将膜孔回复至筛分的尺寸,从而进行多次循环筛分。因此,通过双轴拉伸/回复,实现微粒精确筛分的同时,为分离过程中的膜污染问题提供了新的解决方案。
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