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季铵化聚偏氟乙烯接枝苯乙烯离子交换膜的制备与性能研究

作　者: 宋任远
导　师: 李东亮
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 应用化学
关键词: 间接氯甲基化季铵化阴离子交换膜聚偏氟乙烯化学接枝
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文从制膜工艺入手,首先采用固液相（S-L）分离法制备聚偏氟乙烯（PVDF）基膜,然后通过碱处理、苯乙烯接枝、间接氯甲基化及季铵化等工艺,制备出亲水性强、选择性高的季铵化聚偏氟乙烯接枝苯乙烯（PVDF-g-PSQA）膜,并详细地考察了各种因素对制膜过程的影响,以实现膜结构和性能的优化及膜表面相关功能的赋予。1采用S-L相转化法来制备PVDF膜,考察了PVDF质量百分比浓度、铸膜液蒸发时间、凝固浴温度等因素对膜的性能的影响。结果表明,PVDF质量百分比浓度越小,铸膜液蒸发时间越短,凝固浴温度越高,PVDF膜的水通量越大,机械强度越差,反之,水通量越小,机械强度越好。2对PVDF膜进行碱性处理,确定碱处理最佳条件为:碱处理时间t=20min,KOH/乙醇溶液浓度为2.0mol/L,碱处理温度T=60℃,相转移催化剂TBAB的质量浓度为3mg/mL。详细考察了碱处理反应条件对PVDF膜机械强度和接枝率的影响,结果发现,碱处理后的PVDF膜机械强度有所下降,但提高了含水率,膜表面的亲水性得到了很好的改善。3对PVDF-g-PS膜进行间接氯甲基化反应,制备出了氯甲基化聚偏氟乙烯接枝苯乙烯（PVDF-g-PSCM）膜。通过单因素法研究了间接氯甲基化的反应条件,确定了适宜的制膜工艺,即相转化剂质量浓度为0.5～0.7mg/mL,反应时间10～14h,温度45℃,催化剂ZnCl₂浓度为0.06～0.08mol/L。在此基础上对PVDF-g-PSCM膜进行季铵化处理,制得亲水性强、选择性高的PVDF-g-PSQA膜,并利用正交试验对反应条件进行了优化,确定的最佳季铵化条件为,季铵化温度45℃,三甲胺质量分数33%,季铵化时间12h。并采用FT-IR和SEM对PVDF-g-PSQA膜的结构进行表征。4 PVDF-g-PSQA膜性能的研究,首先考察了膜厚度及环境温度对PVDF-g-PSQA膜性能特征参数的影响,发现随着膜厚度的增大,机械强度、截留率及IEC值升高,含水率、伸长率、水通量及选择透过性降低;而环境温度的升高,含水率、伸长率、水通量及IEC值增大,截留率和选择透过性降低。在相同的测试条件下,PVDF-g-PSQA膜与商品膜（AMC膜）相比,具有较高的IEC值、选择透过性及含水率,较低的面阻值,膜的机械强度与商品膜相比稍低。当温度为25℃,厚度为50μm时,最佳PVDF-g-PSQA膜的离子交换量值为1.38 mmol/g,选择透过性为98%,面电阻为8.42Ω·cm²,达到了阴离子交换膜的使用要求。另外,对PVDF-g-PSQA膜的化学稳定性进行了讨论,发现PVDF-g-PSQA膜具有较强的耐酸性、抗氧化性,并可以在有机溶剂条件下长时间使用,说明了该膜具有很好的应用前景。5研究了PVDF-g-PSQA膜对不同阴离子的离子透过选择性,发现阴离子选择透过性主要决定离子的水合半径,水合吉布斯自由能以及膜表面的憎水性。

季铵化聚偏氟乙烯接枝苯乙烯离子交换膜的制备与性能研究

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