[发明专利]一种基于嵌段共聚物自组装和界面诱导相分离膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于嵌段共聚物自组装和界面诱导相分离膜的新型制备方法，属于多孔材料分离膜领域。该嵌段共聚物膜主要是通过在空气‑水界面，嵌段共聚物的亲水相和疏水相分离形成的聚合物表面结构。嵌段共聚物膜的制备包括以下步骤：选用适当嵌段比例和分子量的聚合物和小分子添加剂，将其溶解于选择性溶剂中，搅拌一定的时间形成均匀透明的粘稠液体，用塑料滴管吸取适量滴在水面上，经过一段时间的非溶剂和溶剂交换固定聚合物膜的表面结构，而根据相似相溶原理使小分子添加剂溶解形成孔隙，从而达到选择性分离的作用。目前制备聚合物膜的方法大多繁琐且能源消耗大，该制膜方法不仅通用简单，成本低廉，而且制得的膜具有高的机械性能。

技术领域

本发明属于多孔材料分离膜领域，具体涉及一种基于嵌段共聚物自组装和界面诱导相分离膜的新型制备方法。

背景技术

随着能源、水资源、环保问题的日益严峻，膜科学与技术获得了越来越多的重视。膜科学技术是一门多学科交叉的新兴技术。近年来，在各学科发展和相互渗透的基础上，膜科学有了迅速的发展，已成为化学及化学工程学科发展新的增长点，亦是当代高新技术发展的重点。膜分离技术是指用人工合成或天然的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质或溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法，主要有微滤、超滤、纳滤和反渗透。作为当代新型高效分离技术，膜分离技术具有投资低、能耗低、建设周期短、对环境影响小等特点，并成为解决人类资源和环境问题的重要手段，在海水淡化、废水处理与回收、物质的分离与提纯等众多领域应用前景广泛。然而，现有的制膜方法有热诱导相分离、溶剂蒸发诱导相分离、气相诱导相分离，但都普遍存在能耗大，原料昂贵，分离效率低等问题。因此，通过简单易行的方法制备孔隙率大，孔径分布窄，低能耗，高效率的膜具有重要意义。

嵌段共聚物均孔膜与传统的无机膜相比较，柔韧性好、制备方法简单，因此易于进行大规模商业化生产。制备嵌段共聚物膜的方法很多，最成熟的方法之一就是SNIPS(自组装和非溶剂诱导相分离相结合)，2007年由德国GKSS研究中心的Klaus-Viktor Peinemann教授课题组提出，该法主要是通过刮涂的形式制膜。纯的嵌段共聚物使用该法制得的膜机械性能较差，孔径较大，聚合物的用量较多。因此在保证膜的高通透性能的同时提高机械性能，控制孔径在较小的值提高分离效率，成本低廉的制膜方法仍在进一步改进。

发明内容

本发明目的是提供一种基于嵌段共聚物自组装和界面诱导相分离膜的新型制备方法。这种方法简单易操作，设备简单，不需要控制溶剂挥发时间。使用的嵌段共聚物的量极少，节约成本。保持嵌段共聚物优异的自组装形貌，且孔径小，分布窄，用于小分子物质的分离效率可以得到提高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于嵌段共聚物自组装和界面诱导相分离膜的新型制备方法，包括如下步骤：

(a)称取嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚4-乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)与3-十五烷基苯酚(PDP)加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和氯仿的混合溶剂中，在室温下搅拌均匀；

(b)准备盛满去离子水的培养皿，冰水浴，用塑料滴管吸取铸膜液在水面上方滴下，使其在去离子水的水面上成膜，在开放的环境中放置固定膜的表面结构；

(c)随后将膜捞起泡在甲醇中，用镊子将得到的膜取出，自然干燥。

优选的，将质量比为10:1的嵌段共聚物聚苯乙烯-嵌段-聚4-乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)和3-十五烷基苯酚(PDP)溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和氯仿体积比约为1:5的混合溶剂中，在转速为300r/min的磁力搅拌下搅拌12h。准备盛满去离子水的培养皿，冰水浴使水温保持在10℃，湿度为40％RH，用塑料滴管吸取0.05ml的铸膜液在距水面3cm的高度滴下，使其在去离子水的水面上成膜，在开放的环境中放置12h固定膜的表面结构。然后直接将膜泡在甲醇中12h，以期将小分子添加剂溶解去除，用镊子将得到的膜取出，自然干燥，即形成聚合物膜。