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聚苯胺及苯胺共聚物对聚四氟乙烯膜的亲水改性研究

作　者: 田云霞
导　师: 王新
学　校: 青岛科技大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 聚四氟乙烯聚苯胺等离子体处理原位分散聚合亲水性共聚合
分类号: TQ028.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜在化工分离领域有广泛应用,其表面的亲水化是相关领域的研究热点之一。国内外研究人员围绕PTFE膜的表面改性进行了大量研究,如等离子体处理、化学溅涂等,但是改性后膜材料的接触角都随时间有一定程度的回升。鉴于此,我们采用了新的方法,即采用分散聚合原位沉积成膜的方法在等离子体预处理的PTFE膜上引入刚性聚合物聚苯胺(PANI)或苯胺共聚物进行亲水改性,期望刚性亲水大分子不易运动的特征能够保持亲水改性效果的持久性。本文以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为空间稳定剂,过硫酸铵(APS)为氧化剂,盐酸(HCl)水溶液为反应介质,苯胺(An)或者An与第二单体5-氨基邻苯二甲酸(AIA)为反应单体,在溶液中发生氧化聚合反应的同时完成在基体PTFE膜表面的原位成膜,制备了PANI/PTFE和An/AIA共聚物/PTFE复合膜。通过扫描电镜、体式显微镜、X射线光电子光谱、红外光谱、拉曼光谱、接触角等测试,研究了复合膜的表观形貌、膜的结构、生长历程及其亲水改性效果。试验结果表明,在An的分散聚合体系中实现PANI在PTFE膜表面的原位成膜,并获得了表面光滑致密的PANI/PTFE复合膜。初步探讨该膜的形成机理为基体通过物理吸附诱导期生成的An阳离子自由基,形成聚合中心,PANI链从这些初级成核中心增长,然后再经过链增长和链结构调整得到有序薄膜。拉曼光谱和红外光谱证实复合膜中的PANI为掺杂态。通过对PANI/PTFE复合膜进行掺杂,制备了可做盐水分离的复合膜,能在保持较高的盐分截留率的情况下有效提高蒸馏通量。接触角测试表明,PANI在PTFE膜表面的沉积可以较好的对其进行亲水改性,并且PANI作为刚性亲水大分子,其分子链不易运动的特征保证了亲水改性的持久性。研究了PANI在等离子体预处理的PTFE膜表面的沉积过程。实验结果表明,聚合历程大致分为诱导期、聚合生长期、饱和终止期。适当的等离子体处理缩短了诱导期,加速了苯胺的聚合速率,使峰值温度提高,这是由于等离子处理使PTFE膜的表面纤维结构和化学成分发生变化的结果,但单纯的等离子体处理对PTFE亲水改性不明显。拉曼光谱和接触角测试表明,An/AIA共聚物与PANI有类似的化学结构;An/AIA共聚物在PTFE薄膜表面的沉积使其接触角发生巨大变化,亲水性有了很好的改善。相比而言,An/AIA共聚物优于PANI的亲水改性效果,这与加入的第二单体AIA的结构有关。研究了PANI在等离子体预处理PTFE基体上的生长过程,结果表明:PANI在基体表面的成膜过程呈三个阶段:含An的结构单元(包括An盐酸盐、阳离子自由基、低聚体)在PTFE基体表面吸附成核阶段(吸附作用包括物理吸附和等离子体处理后过氧自由基活性点的吸附);膜快速成长阶段;成长达到饱和阶段。吸附生长起始于反应的诱导期,贯穿反应全过程,对膜表面质量的影响较大。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章文献综述  11-33
  1.1 膜分离技术的概述  11-14
    1.1.1 膜分离技术的特点  11
    1.1.2 膜分离过程原理及分类  11-12
    1.1.3 膜分离的材料  12-13
    1.1.4 膜分离技术的应用  13-14
    1.1.5 膜分离-膜蒸馏(MD)技术  14
  1.2 聚四氟乙烯膜的概述  14-18
    1.2.1 聚四氟乙烯的结构与特性  15
    1.2.2 聚四氟乙烯膜亲水改性的方法  15-17
    1.2.3 聚四氟乙烯亲水化改性后的应用  17-18
  1.3 等离子体表面改性技术  18-20
    1.3.1 等离子体对材料表面作用机理  18-19
    1.3.2 等离子体对高分子材料表面改性的时效性  19-20
    1.3.3 等离子体对聚四氟乙烯表面处理机理  20
    1.3.4 等离子体技术在聚四氟乙烯表面改性方面的研究与展望  20
  1.4 聚苯胺  20-25
    1.4.1 聚苯胺的结构  21
    1.4.2 聚苯胺的特性  21-22
    1.4.3 聚苯胺的合成方法  22-23
    1.4.4 聚苯胺的用途  23-25
  1.5 原位分散聚合制备聚苯胺薄膜的研究  25-31
    1.5.1 分散聚合  26
    1.5.2 分散聚合的成核机理  26-28
    1.5.3 原位分散聚合制备聚苯胺膜  28
    1.5.4 苯胺的分散聚合  28-30
    1.5.5 分散聚合原位沉积聚苯胺薄膜的形成机理  30-31
  1.6 课题的提出及意义  31-33
第二章 PANI/PTFE 复合膜的制备、表征及性能探究  33-46
  2.1 引言  33
  2.2 实验部分  33-37
    2.2.1 实验原料与仪器  33-34
    2.2.2 PANI/PTFE 复合膜的制备  34-35
    2.2.3 PANI/PTFE 复合膜的形貌、结构、盐水分离性能表征  35-37
  2.3 结果与讨论  37-44
    2.3.1 PTFE 膜上PANI 化学结构的表征  37-38
    2.3.2 PANI/PTFE 复合膜的制备  38-40
    2.3.3 PANI/PTFE 复合膜的微观形貌  40-43
    2.3.4 PANI/PTFE 复合膜的真空膜蒸馏(VMD)实验结果及讨论  43-44
  2.4 本章小结  44-46
第三章等离子体预处理 PANI/PTFE 复合膜的制备与表征  46-62
  3.1 引言  46
  3.2 实验部分  46-49
    3.2.1 原料与试剂  46-47
    3.2.2 实验仪器  47
    3.2.3 等离子体预处理PANI/PTFE 复合膜的制备  47
    3.2.4 等离子体处理过程  47-48
    3.2.5 PANI/PTFE 复合膜的测试与表征  48-49
  3.3 结果与讨论  49-61
    3.3.1 等离子体预处理PANI/PTFE 复合膜的制备  49-52
    3.3.2 等离子体处理的影响  52-58
    3.3.3 等离子体处理和PANI 沉积对聚PTFE 膜表面亲水性的影响  58-61
  3.4 本章小结  61-62
第四章苯胺共聚物对 PTFE 膜亲水改性的研究  62-76
  4.1 引言  62-63
  4.2 实验部分  63-65
    4.2.1 原料与试剂  63
    4.2.2 实验仪器  63
    4.2.3 实验过程  63-64
    4.2.4 测试与表征  64-65
  4.3 结果与讨论  65-75
    4.3.1 PANI 和An/AIA 共聚物的拉曼光谱测试  65-66
    4.3.2 聚合成膜历程  66-68
    4.3.3 各种PTFE 复合膜的表面形貌的对比研究  68-69
    4.3.4 PTFE 膜表面的化学结构分析  69-70
    4.3.5 PTFE 膜表面的XPS 图  70-72
    4.3.6 PTFE 膜表面亲水改性效果  72-75
  4.4 本章小结  75-76
第五章 PANI 在PTFE 膜基体表面生长过程的研究  76-85
  5.1 引言  76
  5.2 实验部分  76-78
    5.2.1 原料与试剂  76
    5.2.2 实验仪器  76-77
    5.2.3 等离子体处理装置  77
    5.2.4 等离子体预处理PANI/PTFE 复合膜的制备  77-78
    5.2.5 PANI/PTFE 复合膜的测试与表征  78
  5.3 结果与讨论  78-84
    5.3.1 等离子处理的PTFE 膜结构分析  78-80
    5.3.2 PTFE 基体表面性质对PANI 在基体表面原位成膜的影响  80-81
    5.3.3 PTFE 膜表面原位沉积PANI 薄膜的表观形貌变化过程  81-84
  5.4 本章小结  84-85
结论  85-87
参考文献  87-93
致谢  93-94
攻读硕士期间发表的论文  94-95

聚苯胺及苯胺共聚物对聚四氟乙烯膜的亲水改性研究

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