摘要
聚合物多孔分离膜广泛应用于众多领域，其中，通量与截留率分别用以表征其渗透性与选择性，是评价膜分离性能的两个重要指标。前者可以通过增大孔径得以提高，但是大孔径往往会导致膜的选择性下降；反之，较小的孔径对应高选择性和低渗透性，这就是膜分离领域的“Trade-off”效应。为克服该效应，本工作将形状记忆效应引入到分离膜领域。首先，通过共混体系相行为控制和碱解相结合，构筑了兼具“贯通多孔结构（微米级）”和“形状记忆效应”的多孔膜，之后以拉伸方式，实现了对分离膜孔结构的精确调控；其次，借助高温拉伸和冷结晶相结合的方法，获得取向纳米孔，与上述微米孔结合，构建了取向多级孔分离膜；最后，利用形状记忆聚合物高温回复特征和复合膜上下两层模量/形变差异，在其表面构筑了微褶皱；系统研究了上述“后处理”、“取向作用”和“微褶皱”对孔结构的影响规律，并以油水乳液为例，考察了多孔分离膜的分离性能，阐明了其性能提升的微观机制，为解决Trade-off效应提供了新的思路。具体研究内容包括以下几个部分： （1）形状记忆多孔膜的制备、结构调控与分离性能研究：在三元共混体系聚偏氟乙烯（PVDF）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/左旋聚乳酸（PLLA）中，验证了PVDF/PMMA的相容性及其与PLLA之间的相分离行为，采用NaOH碱解去除PLLA，获得了具有“形状记忆效应”和“贯通孔结构”的PVDF/PMMA多孔膜；基于形状记忆效应，在高温下进行单轴拉伸，有效调控了其孔径及取向程度；对上述分离膜的分离性能进行了系统研究，结果表明，随着拉伸比增加，其通量先上升后下降，在拉伸比为2.0时达到最佳；通过在共混体系中添加PVDF/PMMA与PLLA之间的增容剂，在多个尺寸的分离膜中验证了上述规律的普适性； （2）取向多级孔分离膜的制备、结构调控与性能研究：对上述PVDF/PMMA形状记忆多孔膜进行高温拉伸并降温固定，经充分冷结晶后，采用氯仿作为选择性溶剂刻蚀去除PMMA相，得到取向纳米多孔结构，与前述PLLA所致微米孔结合，成功构筑了具有取向结构的多级孔分离膜；上述过程中，随着拉伸比的增大，PVDF多级孔膜中取向度显著增加；基于PVDF多级孔中额外纳米级通道的存在以及取向程度的调节，实现了在不损失截留率的基础上提升通量的目的，对于解决Trade-off效应具有重要意义； （3）微褶皱复合膜的制备、结构调控与分离性能研究：在刮涂法制备PLLA形状记忆多孔膜的基础上，通过抽滤方式将CNTs负载于预变形的PLLA膜表面，构筑了CNTs@PLLA复合膜；利用PLLA多孔膜的形状记忆效应，使顶部CNTs层和底部PLLA层异步变形产生CNTs压缩应变，由此成功制备具有微褶皱结构的CNTs@PLLA复合薄膜；表面微褶皱的存在，大幅提升了其分离性能，主要原因包括：首先，微褶皱有助于提高表面粗糙度，从而增大水/油浸润性差异；其次，CNTs在复合膜表面发生了取向，强化了狭缝孔在膜厚方向上的重叠效应；最后，微褶皱显著提升了膜分离的有效接触面积。
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