第六章 高分子功能膜材料

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2. 非纤维素酯类膜材料 （1）非纤维素酯类膜材料的基本特性
① 分子链中含有亲水性的极性基团； ② 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之 有高的抗压密性和耐热性；
③ 化学稳定性好； ④ 具有可溶性； 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、 聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。
]n
O C NH
O NH C
O NH C
O C]n
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（iii）芳香杂环类 ① 聚苯并咪唑类
如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种 类型。这种膜材料可用以下路线合成：
H2N H2N
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N C
N
H
NH2 +n
NH2
O OC
O CO
N C
N
H
-
OH
+ 2n
+ 2n H2O
氯有较高要求。
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Du Pont公司生产的DP—I型膜即为由此类膜材 料制成的，它的合成路线如下式所示：
n H2N
O
O
C NH NH2 + n Cl C
O C Cl
DMAC NH
O
O
C NHNH C
O C
n
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类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：
[ NH [ NH
O
O
C NHNH C
CH 2OH
n_2
2
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从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。
C6H7O2 + (CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH
H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8
易
难
聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了可 溶性聚酰亚胺，其结构为：
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O C N C
O
O
CH2 CH2 CH CH
C N
C
O -
R n
（v）乙烯基聚合物
用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚 乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙 烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯 乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲 基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯 腈接枝共聚物也可用作膜材料。
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目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素 酯类、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备出来，其中约 40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例， 纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰 胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维 素酯类材料在膜材料中占主要地位。
O
聚醚砜
[
聚苯醚砜 [
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CH3
C
O
CH3
O
O
S
O
O
S
O ]n
O
O
O
S
O
-
O
S
]n
O
]n
O ]n
（ii）聚酰胺类
早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼 龙—4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产 品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水 率很低，仅0.076 ml/cm2·h。以后发展了芳香 族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围 为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水 速率为0.6 ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由 于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离
NH
R'
界面缩聚
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O
O
C CH CH C N R'
-
R N + 2nHCl
n
④ 聚酰亚胺类
聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能 力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构 的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。
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O C N C
O
O C
N C
O
Ar n
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其中，Ar为芳基，对气体分离的难易次序如下：
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一、高分子功能膜分类
混合物分离膜
使用功能划分 药物释放缓释膜
分隔作用保护膜
气体分离膜
高
液体分离膜
分
根据被分离物质性质 固体分离膜
子
离子分离膜
功
微生物分离膜
能
被分离物质粒度大小 超细滤膜、超滤膜、微滤膜
膜
熔融拉伸膜
沉积膜
膜形成过程 溶剂注膜
界面膜
动态形成膜
密度膜
根据膜性质
相变形成膜
功能高分子材料
第六章 高分子功能膜材料
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主要内容
一 高分子功能膜分类 二 高分子功能膜制备方法 三 膜分离过程
四 膜过程和其他化工过程的联用 五 膜分离过程应用 六 其他功能膜
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高分子功能膜定义
▪ 高分子功能膜是一种具有选择性透过能力的膜型 材料，也是具有特殊传质功能的高分子材料，通 常称为分离膜，也称功能膜。用膜分离物质一般 不发生相变、不耗费相变能，同时具有较好的选 择性，且膜把产物分在两侧，很容易收集，是一 种能耗低，效率高的分离材料，从功能上来说， 高分子分离膜具有物质分离、识别物质，能量转 化和物质转化等功能。利用其在不同条件下显出 的特殊性质，已经在许多领域获得应用。
乳化膜
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多孔膜 -
按膜的材料分类
表6—1 膜材料的分类
类别
膜材料
纤维素酯类 纤维素衍生物类
聚砜类
聚酰(亚)胺类
非纤维素酯类 聚酯、烯烃类
含氟(硅)类
其他
举例 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等 壳聚糖，聚电解质等
n
② 聚苯并咪唑酮类
这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜， 其化学结构为：
N
SO2
N
C NH
HN C
O
O
n
这种膜对0.5％NaCl溶液的分离率达90％～95％， 并有较高的透水速率。
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③ 聚吡嗪酰胺类 这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：
O
O
R
n Cl C CH CH C Cl + n HN
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（2）主要的非纤维素酯类膜材料 （i）聚砜类
O
聚砜结构中的特征基团为 S ，为了引入亲水基 团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂O 中，用Fra Baidu bibliotek磺酸进行 磺化。
聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、 二甲基乙酰胺、N—甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。
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聚砜
[O
O
聚芳砜
[S
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1. 纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,
4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：
HCH 2O H O
H
O
OH OH
H H
H OH
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH 2OH
HCH 2O H O
H
O
OH
H H
H OH
H OH
OH H
H H
H
OOH