超支化聚合物交联膜的制备及其渗透汽化性能

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1、超支化聚合物交联膜的制备及其渗透汽化性能*肖玲，魏秀珍，王灵辉，朱宝库，徐又一（浙江大学高分子科学研究所，教育部高分子合成与功能构造重点实验室，杭州31002）摘要：分别以3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐（ODPA）和戊二醛（GA）为交联剂，制备了超支化聚缩水甘油（HPG）和超支化聚（胺-脂）（HPAE）交联膜，并研究了其渗透汽化性能。结果表明，HPG-ODPA、HPAE-GA交联致密膜的极性和亲水性使其在水和异丙醇中具有明显不同的溶胀度，从而在水/异丙醇的渗透汽化体系中表现出良好的分离性能。关键词：超支

2、化聚缩水甘油；超支化聚（胺-脂）；交联膜；渗透汽化渗透汽化，或称渗透蒸发（Pervaporation，PV），是用于液体混合物分离的一种新型膜[1]技术。渗透汽化本质上是通过进料中各组分在膜中的溶解和扩散速率的不同来实现组分的分离。因此，膜的组成和物理化学结构对渗透汽化过程起着决定性的影响。目前，很多聚合[2]物材料已用作PV膜材料，如聚乙烯醇、壳聚糖等。为了进一步提高膜的机械强度和使用稳定性，常进行交联处理。交联可以显著的提高PV膜的分离系数，但渗透通量会随着交联度的提高逐渐下降。因此，开发新的具有高渗透通

3、量、优异分离效果的PV膜具有重要意义。超支化聚合物具有近球状结构、粘度低、末端带有大量的基团、分子内部存在很多“纳米空洞”等特点，而这些不同于一般线型聚合物的结构特征使得其在PV膜方面具有很大的[3、4]发展潜力。本文分别制备了超支化聚缩水甘油（HPG）和超支化聚（胺-脂）（HPAE）两种交联膜，并对其渗透汽化性能进行了研究。1实验部分1.1主要原料3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐（ODPA）、戊二醛（GA），Aldrich；异丙醇、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），杭州化学试剂公司；超支化聚缩水甘油（H

4、PG）和超支化聚（胺-脂）（HPAE）分别参照文献[5]、[6]合成。1.2超支化聚合物交联膜的制备及表征将一定配比的HPG、ODPA溶于DMAc（HPG和ODPA总量为35-40wt%，羟基/酸酐基团=4/1），80°C下搅拌4个小时得到均匀的预交联溶液，在云母载体上刮成150μm的液膜并移入150°C真空烘箱中6个小时，得到HPG-ODPA交联膜（图1.a）；采用类似的方法得到HPAE-GA交联膜（图1.b），其中，羟基/醛基=2/1。*第一作者简介：肖玲（1982-），女，浙江省杭州人，硕士研究生，从事

5、功能高分子材料研究*通讯联系人：zhubk@zju.edu.cn.1图1：HPG-ODPA(a)和HPAE-GA(b)交联膜化学结构示意图分别采用场发射扫描电镜（SEM，JSM-5510LV，日本）、电子强力仪（AG-1，日本）、表面接触角测量仪（Dataphysics，OCA20，德国）对交联膜形貌、力学性能、亲水性进行表征；交联膜在水和异丙醇的溶胀度根据以下公式计算：Qt=((wt-w0)/w0)×100%，其中w0和wt分别为溶胀前、溶胀24h后膜的重量。1.3超支化聚合物交联膜的渗透汽化性能参照文献[

6、7]测定交联膜的渗透汽化性能。膜渗透通量J=M/(A⋅t)，其中，M为透过液的2重量(g)；t为操作时间(h)；A为膜有效面积（m）。用气相色谱仪分析料液和渗透液的组成，分离系数α=(yw/yisop)/(xw/xisop),其中，yw和yisop分别为渗透液中水和异丙醇的质量分数，xw和xisop分别为料液中水和异丙醇的质量分数。2结果与讨论2.1超支化聚合物交联膜的形貌及力学性能分别采用ODPA和GA交联超支化聚合物的末端羟基，呈粘稠状态的HPG和HPAE转变为淡黄色透明的交联膜，用SEM观察了膜的表面和

7、断面形貌（图2）。可见，通过交联超支化聚合物的末端基团，可以得到均相致密的固态膜，并且膜中没有明显的相分离。图2HPG-ODPA(a)和HPAE-GA(b)交联膜SEM图（1:断面；2:上表面）2表1是HPG-ODPA和HPAE-GA交联膜的力学性能。相对于HPAE-GA交联膜来说，HPG-ODPA交联膜中刚性的苯环链段赋予膜较大的拉伸强度和较小的断裂伸长率。同时，对于超支化分子而言，其本身具有的球形或类球形三维分子结构也进一步限制了支链的运动性。结果表明，交联后的HPG和HPAE膜具有足够的机械强度用作渗透

8、汽化材料。表1HPG-ODPA(a)和HPAE-GA(b)交联膜的力学性能交联膜拉伸强度(Mpa)断裂伸长率(%)HPG-ODPA345.5HPAE-GA7.216.82.2超支化聚合物交联膜的亲水性和溶胀性能ooHPG-ODPA和HPAE-GA交联膜静态水接触角分别为65，46，均具有良好的亲水性。而交联膜的亲水性主要来源于超支化聚合物中未反应的部分末端羟基，以及HPG和ODPA反应生成的羧基或者