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PVA两性聚电解质膜材料的合成及性能研究

作　者: 于立娟
导　师: 孟平蕊
学　校: 济南大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 两性聚电解质聚乙烯醇渗透汽化接枝共聚二维红外相关谱图
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

聚电解质兼有高分子长链和小分子电解质电离双重结构特征,具有普通高分子所不具备的功能特性。与非离子聚合物相比,聚电解质具有良好的亲水性、带电性和在水中的稳定性,这些特性使其在众多领域得到广泛应用。本课题以聚乙烯醇（PVA）为基体材料,利用接枝共聚反应和霍夫曼降解反应合成了两种PVA基两性聚电解质（PBPA）材料,对两种PBPA材料进行结构表征和性能测试。PVA接枝聚乙烯铵/聚丙烯酸钠（PVA-g-P（VAM-SAC）,简称PBPAⅠ）的合成及表征:以过硫酸钾为引发剂,将丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）同时接枝到PVA上,合成PVA接枝聚丙烯酰胺/聚丙烯酸钠（PVA-g-P（AM-SAC））,再进行霍夫曼降解制的PBPAⅠ;研究了引发剂种类及浓度、反应温度、反应时间、单体浓度对接枝共聚反应的影响,确定最佳反应条件;分别用红外（IR）、扫描电镜（SEM）和差热扫描量热仪（DSC）对PBPAⅠ进行了结构表征和性能测试。结果表明:PBPAⅠ在1666 cm^-1和1574 cm^-1出现了NH3+的不对称和对称弯曲振动吸收峰,在1567 cm^-1和1416 cm^-1处出现了羧酸盐的对称和反对称伸缩振动吸收峰;SEM图片显示PBPAⅠ表面形态较PVA发生了明显变化;DSC测试显示接枝改性后的PVA耐热性显著提高。PBPAⅠ均质膜的性能测试:当PBPAⅠ溶液的pH=4时,所制PBPAⅠ膜的耐水性最好;膜的耐水性随退火温度得升高而提高;PBPAⅠ膜的吸水速率较PVA膜显著改善。有机物极性越弱,PBPAⅠ膜对有机物中水的分离选择性越好。PVA接枝聚乙烯铵/聚丙烯磺酸钠（PVA-g-P（VAM-SAS）,简称PBPAⅡ）的合成及表征:以过硫酸钾为引发剂,将AM和丙烯磺酸（SAS）同时接枝到PVA上,合成PVA接枝聚丙烯酰胺/聚丙烯磺酸钠（PVA-g-P（AM-SAS））,再进行霍夫曼降解制的PBPAⅡ;利用正交试验和单因素分析相结合,确定最佳反应条件;分别用IR、SEM、DSC对PBPAⅡ进行结构表征和性能测试。结果表明:PBPAⅡ除了保持PVA的特征吸收峰外,在1671 cm^-1和1570 cm^-1处出现了铵根离子的特征吸收峰,在1201 cm^-1、1036 cm^-1和627 cm^-1处出现了磺酸盐的特征吸收峰;接枝共聚物的结构较PVA发生了显著变化,且耐热性显著提高。PBPAⅡ均质膜的性能测试:当PBPAⅡ溶液的pH=6时,所制PBPAⅡ膜的耐水性最好;膜的耐水性随退火温度的升高而提高;PBPAⅡ膜的吸水速率较PVA膜也显著改善。有机物极性越弱,PBPAⅡ膜对有机物中水的分离选择性越好。PBPAⅠ、PBPAⅡ两种均质膜对有机物中水的吸附渗透过程测试:分别利用一维红外（1D-IR）和二维红外（2D-IR）分析了PBPAⅠ、PBPAⅡ膜对乙醇/水、丙酮/水、异丙醇/水和乙酸/水四种有机物/水体系的吸附渗透行为。结果表明:PBPAⅠ、PBPAⅡ两种膜适合乙醇/水、丙酮/水、异丙醇/水的分离,不适合分离乙酸/水溶液;接枝率高的PBPA膜对水的吸附性更好,水在PBPA膜中的吸附扩散性更好;有机物中的水在PBPAⅠ、PBPAⅡ两种膜中的扩散过程基本相同:自由水优先吸附渗透到膜上,然后分别与膜中的聚离子对缔合,最终达到溶胀平衡。PBPAⅠ、PBPAⅡ两种复合膜的渗透汽化性能测试:分别将PBPAⅠ和PBPAⅡ作为活性膜涂覆在聚丙烯腈（PAN）支撑膜上制备复合膜,90℃,用于95%的乙醇/水和异丙醇/水混合物分离,两种PBPAⅠ、PBPAⅡ复合膜的分离因子α均大于1000,渗透通量J大于1000 g/（m²·h）,与纯PVA、PVA交联膜相比,PBPAⅠ、PBPAⅡ复合膜的分离性能都有显著提高。本研究所得两性聚电解质,可直接溶解于水且不形成沉淀,一次成膜工艺简便,省略了反相离子需要复合生成复合物的工艺过程。将1D、2D-IR分析技术用于有机物脱水,提供了一种快速、简便的膜选择方法,为解释渗透汽化膜分离过程提供了新思路和理论依据。PBPAⅠ、PBPAⅡ两种复合膜有望成为可工业化应用的有机物脱水膜。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
第一章绪论  13-27
  1.1 渗透汽化概述  13-16
    1.1.1 渗透汽化的研究进展  13-14
    1.1.2 渗透汽化的传质原理  14-15
    1.1.3 渗透汽化过程的特点  15
    1.1.4 渗透汽化过程的影响因素  15-16
  1.2 聚电解质概述  16-20
    1.2.1 聚电解质的分类  16-17
    1.2.2 两性聚电解质  17-19
    1.2.3 聚电解质的应用  19-20
  1.3 PVA 渗透汽化膜材料  20-23
    1.3.1 PVA 共混/交联分离膜  20-22
    1.3.2 低密度离子化改性PVA 分离膜  22
    1.3.3 高密度离子化改性PVA 分离膜  22-23
  1.4 二维红外相关光谱技术研究与应用  23-25
    1.4.1 二维红外相关光谱的谱图解析  24-25
    1.4.2 二维红外相关光谱的应用  25
  1.5 本课题研究的目的及意义  25-27
第二章 PBPAⅠ的合成及表征  27-37
  2.1 实验部分  27-30
    2.1.1 主要仪器与试剂  27
    2.1.2 实验步骤  27-28
    2.1.3 接枝参数测定  28-29
    2.1.4 结构表征和性能测试  29-30
  2.2 结果与讨论  30-34
    2.2.1 反应条件对接枝共聚反应的影响  30-32
    2.2.2 产物结构表征和性能测试结果  32-34
  2.3 本章小结  34-37
第三章 PBPAⅠ膜的性能测试  37-51
  3.1 实验部分  37-40
    3.1.1 主要仪器与试剂  37-38
    3.1.2 PBPAⅠ均质膜的性能测试  38-39
    3.1.3 PBPAⅠ复合膜的性能测试  39-40
  3.2 结果与讨论  40-49
    3.2.1 PBPAⅠ均质膜的等电点  40-41
    3.2.2 退火温度对PBPAⅠ均质膜的影响  41
    3.2.3 PBPAⅠ均质膜在有机物/水中的溶胀性测试  41-42
    3.2.4 PBPAⅠ膜吸水速率测试  42-43
    3.2.5 PBPAⅠ均质膜对有机物/水渗透性的IR 测试  43-48
    3.2.6 PBPAⅠ复合膜的渗透汽化测试  48-49
  3.3 本章小结  49-51
第四章 PBPAⅡ的合成及表征  51-61
  4.1 实验部分  51-53
    4.1.1 主要仪器与试剂  51
    4.1.2 实验步骤  51-52
    4.1.3 接枝参数测定  52-53
    4.1.4 结构表征和性能测试  53
  4.2 结果与讨论  53-59
    4.2.1 反应条件对接枝共聚反应的影响  53-57
    4.2.2 产物结构表征和性能测试结果  57-59
  4.3 本章小结  59-61
第五章 PBPAⅡ膜的性能测试  61-71
  5.1 实验部分  61-63
    5.1.1 主要仪器与试剂  61
    5.1.2 PBPAⅡ均质膜的性能测试  61-63
    5.1.3 PBPAⅡ复合膜的性能测试  63
  5.2 结果与讨论  63-69
    5.2.1 PBPAⅡ均质膜的等电点  63-64
    5.2.2 退火温度对PBPAⅡ均质膜的影响  64
    5.2.3 PBPAⅡ均质膜在有机物/水中的溶胀性测试  64-65
    5.2.4 PBPAⅡ均质膜吸水速率测试  65-66
    5.2.5 PBPAⅡ均质膜对有机物/水渗透性的IR 测试  66-69
    5.2.6 PBPAⅡ复合膜的渗透汽化测试  69
  5.3 本章小结  69-71
第六章结论  71-73
参考文献  73-77
致谢  77-79
附录  79

PVA两性聚电解质膜材料的合成及性能研究

内容摘要

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