功能高分子膜材料

作者姓名:朱海 学号：1105200077

（广州大学 化学化工学院，广东 广州 510006）

摘 要：功能高分子材料是高分子材料领域中发展最快，最有重要理论研究和实际应用的新领域。功能高分子材料医其特殊的电学、光学、医学、仿生学等诸多物理化学性质构成功能材料学科研的主要组成部分[1]。高分功能膜材料是功能高分子材料的重要组成部分，其分离方法简便，快捷，节约能源这一独特性质在气体分离，海水淡化，污水处理，食品保鲜，混合物分离等方面得到广泛的应用，在医学和药学方面应用研究也取得了较大进展[2]。 关键字：概述；特点；分类；分类原理；制备；发展趋势

Functional polymer membrane materials

（Fine Chemical Research Institute，Guangzhou University，Guangzhou 510006，Guangdong，China）

Abstract: functional polymer materials is the fastest growing in the area of polymer materials, the most important new areas of theoretical research and practical application. D its special functional polymer materials of electrical, optical, medical, bionics, and many other physical and chemical properties constitute the main part of functional materials science research. High functional membrane materials is an important part of functional polymer materials, the separation method is simple, fast, save energy this unique properties in gas separation, water desalination, sewage treatment, food preservation, separation of the mixture, etc widely used, in the aspect of medical and pharmaceutical application research have also made great progress

正文: 1. 概述

膜是一种二维材料，智能化的膜是最高标准水平。广泛存在自然界，起着分隔，分离和选择性透过等作用。高分子功能膜由于在不同条件下表现出的特殊性质，已经在许多领域获得应用，而且具有潜在的应用前景。比如在电场作用下的点透析装置，在压力作用下的超滤，微滤，反渗透装置。在浓度梯度下的渗透过滤装置，以及膜修饰电极，非线性光电材料，膜缓释装置等都是功能膜的主要应用领域。这些研究成果被广泛用于工业，农业，医药，环保等领域，对节约能源，提高效率，净化环境做出了重大贡

献[3]。

2. 膜分离的特点

相对于其他分离方法，膜分离技术有以下优点：除个别情况，如渗透蒸发装外，分离过程没有相变化，因此分离物质的损耗小，能耗小，是一种低能耗，低成本的分离技术。膜分离过程通常在温和的条件下进行，因而对需避免高温分级，浓缩与富集的物质，如果汁、药品、蛋白质具有明显的优点。膜分离装置简单，操作容易，制造方便，易于与其他分离技术结合，其分离技术应用广，对无机物，有机物及生物制品均可适用，并且不会二次污染。但是膜分离过程容易出

现膜污染，降低分离效率。膜的对了选择性较低，同时膜的使用有一定的寿命[4]。

3. 分离

高分子分离膜的种类和功能繁多，不可能用单一的方法来分离，现有以下几种方式分类：

3.1按被分离物质性质分类

根据被分离物质的性质科将分离膜分为气体分离膜、液体分离膜、固体分离膜、离子分离膜和微生物分离膜等。

3.2按膜形态分类

根据固态膜的形态，可分为平板膜（flat membrane），管式膜（tubular membrane）和中空纤维膜(hollow fiber)，毛细管膜以及具有膜表面的圆柱形孔的核径蚀刻膜。

3.3按膜的材料分类

从膜的材料可以分为纤维素衍生物类，聚烯烃类，局支类，聚酰胺类，聚砜类，含氟聚合物类

3.4按膜体结构和断面形态分类

按膜体结构主要分为致密膜，多孔膜和乳化膜。

按膜的结构分为对称膜和非对称膜

3.5按膜分离过程分类

按膜分离过程可分为微滤膜，超滤膜，纳滤膜，反渗透膜，透析膜，电渗析用离子交换膜，气体分离膜，渗透汽化膜。

4. 膜分离原理 4.1膜分离机制

被分离材料能够从膜的一端客服膜材料的阻碍穿过膜需要有一定的内在条件和外在条件，从目前掌握的膜材料，膜分离作用主要依靠过筛作用和溶解扩散作用两种机制。

4.1.1过筛分离机制

聚合物分离膜的过筛作用类似与物理过筛过程，与常见的筛网材料相比，其不同点在于膜的孔径要小的多，被分离物质能否通过筛网取决于物质的尺寸和大小。物质的尺寸包括长度和体积，也包括形状参数。微滤膜和超滤膜的分离过程主要是过筛机制起主要。应指出，即使在过筛作用起主导作用的微滤膜中，都不仅仅存在物理过筛的重要，分离膜和被分离的物质的亲水性，相容性，电负性等性质也起着相当重要的重要。

4.1.2溶解扩散机制

膜分离的另一种作用形式是溶解扩散作用，当膜材料对某些物质具有一定溶解能力时，在外力作用下，被分离物质能够在膜中运动，从膜的一侧扩散到另一侧，再离开分离吗，这种溶解扩散作用，对于用密度膜对混合气体进行分离和反渗透膜对溶质与溶剂分离的过程中往往起主要作用。在溶剂扩散机制中，溶解是锋利的第一步，影响因素是被分离物质的极性，结构相似和酸碱性质等。扩散是第二步，影响因素有被分离物质的尺寸，形状，膜材料的晶化结构和化学性质。

4.1.3选择性吸附机制

当膜材料对混合物的部分物质，有选择性吸附时，吸附性高的成分将表面富集，这样，该成分通过膜几率加大，对膜分离起重要的吸附作用主要有范德华吸附和静电吸附。

4.2膜分离过程的驱动力 4.2.1浓度差驱动力

当浓度不同的两种液体接触时，浓度高的液体内的成分自发向低浓度的一端扩散运动，这个运动来源与布朗运动。这种驱动力称之为浓度梯度驱动力。当膜两端有浓度不同溶液时，来自高浓度一侧的溶质在浓度差驱动力作用下通过膜而被分离。

4.2.2压力差驱动力

当膜两端施加压力不同时，压力高的一

侧的物质将趋向于通过膜到达压力低的一侧。这种驱动力称之为压力差驱动力。经常应用于微滤，超滤，纳滤和反渗透膜分离过程。

4.2.2电场驱动力

当膜的两端施加定向电场时，混合物中带点颗粒将受到电场力的驱动，向带有相反电荷的电极方向移动，并趋向于通过分离膜。这种膜驱动力称为电场驱动力[6]。

5. 膜的制备 5.1膜材料

用作分离膜的材料包括天然的人工合成有机高分子材料和无机材料。原则上来讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料都可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业制膜的膜材料并不多，这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率，分离速度。此外还取决于膜的制备技术。目前有机高分子材料有纤维素脂类，聚脂类，聚砜类，聚酰胺类及其他材料，从品种来说，已有成百种以上的膜被制成，其中有40多种以及用于实验室中，以日本为例，纤维素酯类占53%，聚砜膜占33.3%，聚酰胺膜占11.7%，其他材料占2%左右。其中包括聚烯烃类、有机硅聚合物类、含氟聚合物类、甲壳素类、高分子合金膜、液晶复合高分子膜。

5.2高分子膜的制备 5.2.1密度膜

密度膜是指本身没有明显孔隙，某些其他和液体透过是通过分子在膜中的溶解和扩散的一种膜，主要有聚合物溶液驻膜成型法，聚合物直接熔融拉伸成膜和直接合成膜法。

5.2.1.1聚合物溶液驻膜成型法

将聚合物溶解在合适的溶剂中，配成一定浓度和粘度的聚合物溶液，将其刮图在玻璃或不锈钢的表面，在室温下溶剂挥发之触干，在烘箱中干燥成膜。

5.2.1.2熔融拉伸成膜

将聚合物熔融拉伸，通过模板成型，冷却、固化成膜

5.2.1.2直接聚合成膜

将溶解有单体和引发剂的溶液放在模板上，用适当方法使其聚合。聚合反应和成膜同时进行，最后除去溶剂使其成膜。

5.2.2多孔膜

采用改变相态制备聚合物分离膜，得到的分离膜多为孔性膜，作为微滤和超滤使用。首先制备聚合物溶液，然后改变溶解度将溶液通过双分散相改变成大分子溶液时溶剂占据膜的部分空间，在溶剂蒸发后留下多孔性膜。主要方法有相转变化法，粉末烧结法，拉伸致孔法，核径迹法。

5.2.3离子交换膜

根据离子交换膜的结构可分为异相膜、均相膜和半均相膜

5.2.3.1异相膜

将离子交换树脂粉碎成细小的颗粒，经筛分后，得粒度均匀的树脂颗粒，然后与高分子材料加热共混制成一定的形状和大小的离子交换膜。

5.2.3.2均相膜

将具有交换基团的聚合物溶解在一定溶剂中，驻膜法成膜，也可直接合成膜。

5.2.3.3半均相膜

半均相膜的4种制备方法分别为含浸法，流延法和刮浆法和浸胶法[7[。

5.2膜的保存

分离膜的保存很重要，保存主要防止微生物，水解，冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发

生，温度、PH值不适当和水中游离氧的存在均会造成水解，冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。收缩变形使膜孔隙大幅度下降。当膜与高浓度溶液接触时由于膜中水分急剧下降而失水，造成膜的变形收缩[8]。

尿素和其他小分子毒素，现已成为医院外科常规治疗方法。人工肾用膜材料过去局限于再生纤维素，今年来用其他膜材料制备的人工肾不断涌现。

6.3透析电渗析

正负离子在电场驱动下向预制对应的电极迁移，速度快，加入由阴阳离子交换膜，即可使离子通过交换实现溶液中离子的脱除，电渗析适用于咸水淡化，浓盐水制盐，也可用于除去果汁中的有机酸，还可从废酸中回收酸，减少环境污染。

6. 功能膜的应用进展 6.1微滤的应用

微滤可以分离溶液大于0.05微米左右的微细粒子，应用很广，主要有：

6.1.1气体、溶液及水的净化过滤

大气中悬浮的尘埃、灰烬、纤维、毛发、花粉、细菌、病毒等组成的混合物很轻，能长期悬浮于大气中，使用微滤膜可使其清洁过滤，微滤还可剔除水中细菌和各种固体颗粒在医药，饮料反面也应用广泛。

6.4纳滤

纳滤技术发展提供了硬水软化的新途径，特别是能除去易在RO膜上积聚的可溶性二氧化硅，促使了海水淡化的过程改革，大大简化了前处理过程。另外用纳滤还可从非水溶液中分离溶质和溶剂，具有重大经济价值。

6.1.2食糖和酒类的精制

微滤膜对食糖溶液和啤酒，黄酒等酒

类过滤可除去食糖中的杂质，酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高纯度，使酒类产品清澈，存放期延长。

6.5超滤

超滤主要用于溶液在500-500000g/mol的高分子物质和溶液分离。已经应用于纯水的制备，纺织工业中含聚乙烯醇废水的处理，食品工业废水处理，果汁、酒等饮料消毒。

6.1.3药物中的除菌和微粒

热压法灭菌是细菌的尸体任然留在药物中，对于热敏性药物不能热灭菌，对于这类情况，微滤常温操作不致于引起药物受热损失和变性，细菌被截留，无细菌尸体残留。

6.6膜蒸馏

用憎水多孔膜隔离水溶液，以温差为驱

动力，可使水分子不通过膜，水蒸气分子能在蒸汽压的驱动下通过膜，冷凝，达到蒸馏的目的。蒸馏不必在水沸点进行。因而可以利用太阳能，温泉，锅炉和柴油等的冷却用水等热源[9]。

6.2透析

透析用人工肾，用人工肾清除血液中的

参考文献

[1] 黄丽. 高分子材料. 化学工业出版社. 13页

[2] 张留成,瞿雄伟,丁会利. 高分子材料基础. 化学工业出版社. 195页 [3] 张青山. 功能高分子材料学. 机械工业出版社. 100页 [4] 焦剑,姚军燕,功能高分子材料. 化学工业出版社. 62页 [5] 罗祥林. 功能高分子材料. 化学工业出版社. 200页

[6] 赵文元,王亦军. 功能高分子材料化学. 化学工业出版社. 199页 [7] 辛志荣,韩冬水. 功能高分子材料概论. 中国石化出版社. 240页

[8] 王国建,王德海,邱军,赵立群. 功能高分子材料. 华东理工大学出版社. 130页 [9] 张留成,闫卫东,王家喜. 高分子材料进展. 化学工业出版社. 390页