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本文研究的主要内容是通过共混的方法对聚偏氟乙烯(PVDF)进行亲水性改性,以及采用热致相分离(TIPS)的制膜方法制备具有一定亲水性的的PVDF微孔膜。
首先,考虑了溶剂品种对PVDF结晶行为的影响。使用单一溶剂(DMF)浇铸PVDF薄膜时,所获得的结晶度最高为50.6%,并且主要是β晶体的PVDF。从微观形貌上看,薄膜表面得到的球晶尺寸最大,为4μm。对于在溶胀剂四氢呋喃(THF)和丁酮(MEK)溶液中得到的PVDF试样,其中主要是原来的α晶体以及有少量生成的β晶体。由于THF和MEK溶液中的PVDF在本研究中只有很少量能溶解,所以在这两个样品的结晶行为和表面形貌和原始PVDF粉末树脂类似。然而,当THF和DMF按一定比例混合后作为混合镕基使用时,PVDF能完全溶解,而且通过红外FT-IT分析,试样中β晶体的含量随着DMF含量的增加而线性增加。通过混合溶剂浇铸后的PVDF薄膜表面形成的球晶尺寸大约3μm。相比与在DMF溶液中得到的PVDF球晶要小,这是由于混合溶剂在薄膜浇铸时蒸发速度快的缘故,导致PVDF结晶速度快而只能生成小球晶。
在PVDF结晶性和亲水性优化的研究中,主要是通过溶液共混法,选用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为共混聚合物。结果表明:PMMA在共混物中对PVDF晶型没有影响,只有β晶体的存在;少量的PMMA(10wt%)对PVDF的结晶有一定的促进作用,片晶厚度较大,球晶尺寸最大,约8μm。从电镜照片上看,PVDF/PMMA没有产生相分离,说明这两者的相容性很好。
在溶液共混时,聚合物初始浓度、基材和溶剂品种(包括单一和混合溶剂)对PVDF/PMMA共混物的结晶行为都有影响。通过傅立叶转变红外(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)和宽角X射线衍射(WAXD)的分析,聚合物初始浓度和基材对PVDF晶型没有影响。在溶液浇铸PVDF共混物薄膜的过程中,DMF的存在决定了PVDF的β晶体的生成。在混和溶剂(THF/DMF)的研究中发现:β-PVDF的含量随着DMF含量的增加而增加。通过电子扫描(SEM),PVDF/PMMA共混薄膜的表面形貌受聚合物初始浓度、溶剂品种和基材影响最大。在表面形成的球晶尺寸大小随着浓度的增加而减小,而粒径分布随之而变窄。浇铸薄膜选用基材的表面张力越大,所形成的球晶也越大。在溶剂的选用上,DMF的含量越大,球晶伸生长得越大。
苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)作为一种非结晶体亲水性聚合物,可以有效应用于改善PVDF的亲水性能。文中采用熔融共混的方法制备了亲水性PVDF/SAN共混物,同时研究了其结晶行为。结果表明:所有熔融共混的试样中,只有α-PVDF晶体的存在;由于在熔融共混中有不同晶体尺寸的晶粒生成,试样的DSC熔融曲线都有双熔融峰的出现;当SAN在共混物的比重增大时,PVDF的片晶生长有所限制,从而导致了整体结晶度的下降。PVDF亲水性随着SAN的加入而有所提高。当70wt%SAN与PVDF共混时,PVDF分子被大量的SAN分子所包埋,样品表面的亲水性与SAN本身相一致。从样品断面结构上看,当SAN含量小于50wt%中,PVDF/SAN能部分相容;但当SAN含量大于50wt%时,两者相容性差,PVDF颗粒明显地分散在非晶区域中。为了进一步改善PVDF/SAN的相容性,文中采用了PMMA作为中间体,制备了PVDF/PMMA/SAN三元共混物。实验表明,PMMA的加入可以有效地改善PVDF与SAN的相容性,而且亲水性也随PMMA的加入而进一步改善。
在制备了亲水性PVDF/PMMA共混物的基础上,文中采用TIPS法制备了具有亲水性的PVDF/PMMA微孔膜。选择PVDF/PMMA的共混比例为70/30的共混物为膜材料。考察了单一稀释剂和混合稀释剂对膜结构以及PVDF在混合体系中的结晶行为。结果显示:PVDF的熔融温度和结晶温度随着聚合物与稀释剂分子之间的相互作用的加强而下降;在稀释剂体系中,PVDF的结晶度相比于没有稀释剂的条件下要高;在30℃淬冷条件下,体系主要发生固-液(S-L)相分离;通过扫描电镜观察膜的断面结构,球晶上以及球晶之间都有孔结构,这种结构的形成主要与聚合物与稀释剂之间的相互作用、结晶动力学以及晶体生长时稀释剂的排挤作用有关;当选用混合稀释剂时,PVDF/PMMA膜获得的孔隙率比选用单一稀释剂体系要高。
在稀释剂选择的基础上,选用二苯甲酮(BP)体系和水杨酸甲酯(MS)体系研究其热力学行为,为制备理想亲水性PVDF微孔膜提供理论基础。在绘制相图时,PVDF/PMMA共混物看作为一相,因此PVDF/PMMA/稀释剂体系可看作伪二元体系。当聚合物浓度小于偏晶点浓度(φm)时,PVDF熔融温度和结晶温度变化不大,DSC曲线趋于水平;但是,当聚合物浓度高于偏晶点浓度(φm)时,熔融温度和结晶温度都随着聚合物浓度的增大而增大;PVDF的结晶度在低聚合物浓度区域相比于高聚合物浓度区域要高。PVDF/PMMA膜的结构取决于不同的相分离机理。在淬冷条件下,液-液(L-L)相分离与PVDF结晶同时发生时,膜结构主要以PVDF球晶以及较小的微孔结构组成;当聚合物浓度增加时,球晶尺寸以及微孔尺寸随之减小。BP体系所获得的PVDF/PMMA膜的孔隙率比MS体系要高,而且整体的孔隙率都随着聚合物浓度的增加而降低。