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南京工业大学汪勇教授课题组Macromolecules封面论文:嵌段共聚物分离膜放大制备方面进展
2020-01-19  来源:高分子科技

  2020年第一期Macromolecules报道了南京工业大学汪勇教授课题组在嵌段共聚物分离膜放大制备方面的Perspectives论文,并以封面形式发表。同时,汪勇教授应邀担任Macromolecules顾问编委。

  嵌段共聚物由于其独特的微相分离性质在制备窄孔径分布分离膜方面具有独特优势。选择性溶胀法是制备嵌段共聚物膜的一种成孔方法,具有操作简单、无化学变化、无质量损失、表面自发功能化等优点而广受关注。通过选择性溶胀制备得到的嵌段共聚物膜孔道结构高度规整,具有较高的渗透选择性。如何实现嵌段共聚物膜的放大制备以及实际应用是目前的研究重点,其中涉及到嵌段共聚物的合成成本、膜的机械强度以及高效连续的生产方法等亟需解决的问题。

  南京工业大学汪勇教授课题组在前期研究工作中,用聚苯乙烯/聚乙烯基吡啶嵌段共聚物(S2VP)为成膜原材料,利用溶剂退火调控嵌段共聚物膜的分相结构,经选择性溶胀成孔后可以得到孔道结构不同且孔径分布较窄的分离膜。改变溶胀条件(包含温度、时间、溶胀剂等)可以改变分离膜的孔径大小,实现膜孔径的连续、可控调节。

图1. 选择性溶胀法制备的S2VP膜的孔道形貌:(a)双连续孔道,(b)垂直孔道,(c)平行孔道,(d)螺旋孔道。插图为溶胀前嵌段共聚物膜的分相结构示意图。

  然而,聚苯乙烯基的聚合物合成成本高、强度差,难以用于规模化生产。针对该问题,汪勇教授团队开发了聚砜/聚乙二醇(SFEG)嵌段共聚物膜。聚砜基嵌段共聚物可以通过缩合反应制备,避免了嵌段共聚物合成通常采用的活性自由基聚合、阴离子聚合等条件反应条件较为苛刻的合成方法,极大地降低了嵌段共聚物原料的合成成本。将SFEG膜进行选择性溶胀成孔后,亲水性的聚乙二醇链段会自发富集在膜表面,赋予膜亲水性、抗污染性能,而聚砜的高强度以及高玻璃化转变温度使膜具有较好的机械和耐热性能。

图2.(a)选择性溶胀法制备的SFEG膜的表面形貌、亲水性、孔隙率以及拉伸强度;(b)溶胀开孔后的SFEG平板膜;(c)溶胀开孔前后的SFEG中空纤维膜。

  该团队以SFEG为制膜原料,进一步发展了熔融挤出成膜-选择性溶胀成孔的嵌段共聚物制膜方法。熔融挤出成膜避免了有机溶剂的使用,具有绿色、环保的优点;在选择性溶胀过程中采用微波辅助增强溶胀,可以使溶胀成孔时间缩短到1分钟以内,大大加速了溶胀过程。熔融挤出成膜与微波溶胀相结合的方法,可以现实嵌段共聚物膜的连续化制备,且适用于平板膜、中空纤维膜等多种膜的制备,推动了嵌段共聚物膜的工业化生产应用。

图3. 熔融挤出和微波溶胀连续制备嵌段共聚物膜的示意图

  相关研究的总结、展望以及挑战以Perspective论文形式发表在最新一期的Macromolecules上,并被选为封面论文。论文第一作者为周洁梅博士。另外,汪勇教授自2020年1月起,担任Macromolecules顾问编委(Member of Editorial Advisory Board)。

  论文链接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01747

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