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高分子膜材料的研究概况
摘　要:高分子膜具有制备简单、 性能稳定以及与指示剂相容性好等特点。本文介绍高分子膜材料的分类和性能的研究, 着重从高分子膜的性能、 应用等方面综述高分子膜材料的研究进展情况, 同时概要叙述高分子膜材料今后的发展远景。
关键词:高分子膜; 蒸馏性膜; 透过性膜; 膜的电性; 膜的应用。
前　言: 高分子膜虽然很早高分子膜虽然很早就出现, 可是对它进行较系统的研究还是近年来才开始的。在20年代, 由于石油工业的发展促进了三大合成材料品种的不断增多, 高分子膜的应用范围也在逐渐扩大。由包装膜开始, 到30年代已将纤维素膜应用于超滤分离; 40年代则出现了离子交换膜和电渗析分离法; 50年代出现了反渗透法膜分离技术; 60年代由加拿大和美国学者分别成功地制造出了高效能膜和超过滤膜, 总之, 国外高分子膜技术的发展是很迅速的。近年来, 中国的科研工作者也开始重视这方面的研究, 膜的种类及应用领域在不断扩大, 其中用量最大的是选择性分离膜, 如离子交换膜、 微孔过滤膜、 超过滤膜、 液膜、 液晶膜等。当前已应用的领域有核燃料及金属提炼、 气体分离、 海水淡化、 超纯水制备、 污废处理、 人工脏器的制造、 医药、 食品、 农业、 化工等各方面。

1.高分子膜材料的分类和性能研究
当前高分子膜材料的种类繁多, 而且分类方法也不同, 关于高分子膜材料的研究方法一般包括两方面: 一是膜的制备方法, 二是膜的性能测定方法, 两者结合起来能够探讨膜的性能与合成条件之间的关系, 从而达到有目的地合成性能优异的膜材料。当前一般常见的合成方法有溶液铸膜法、 水面展开法、 等离子体聚合法、 相转换法、 完全蒸发法、 紫外光照射接枝法、 熔融压膜法等。选用哪种合成方法合适, 主要由研究目的决定, 如欲制得极薄的膜时, 用水面展开法为好。在膜的性能中, 透过或分离性能最为重要, 其分离特性与孔径大小有很大关系 , 因此测定孔径大小的方法就成为研究的主要手段。常见的方法有泡压法、 滤速法、 气体渗透法、 压汞法、 吸附法、 电子显微镜法等
2. 高分子膜的性能研究
2.1膜的透过性
膜的透过性是高分子膜材料非常重要的性能之一, 几乎所有关于膜的报道都涉及此性能。几种常见高分子膜的透过性见表1.

表中数据充分说明高分子膜材料具有良好的气体透过性, 利用它对各种气体的透过性不同能够达到分离的目的。为了更有效地控制膜的透过性, 许多研究者对影响膜透过性的因素进行了探讨叹实验结果表明,膜的透过性与温度、 膜厚度、 化学组成、 制备工艺条件以及膜的微观结构形态有着密切的关系。对甲基硅橡胶、 乙丙橡胶、 低密度聚乙烯及天然橡胶膜的氧、 氮透过率研究结果发现, 膜的透过率对温度的依赖性仅与膜的组成材料有关。
2.2膜的蒸馏性
膜蒸馏是近年来发展起来的新型分离技术, 它是以蒸气压差为动力的膜分离过程, 其特点是在常压下和适当温度下能够处理高浓度的溶液。如在水溶液的膜蒸馏过程中, 憎水的微孔膜把不同温度的水溶液隔开, 而暖侧的水蒸气在蒸气压差作用下, 不断经过膜孔进人冷侧而冷凝, 从而达到膜蒸馏目的。如当聚偏氟乙烯膜的孔径为0.1㎜,
温差为30℃( 暖侧50℃ , 冷侧20℃) ,盐水浓度0.3mol, 盐水流量10ml/s, 蒸馏通量55～65kg/m2.d, 截流率近于100%。
2.3膜的电性能
高聚物大部分是不导电的材料, 因此它能在电器工业上作绝缘材料使用。随着膜材料研究的发展, 具有各种良好电性能的膜也相继出现。如聚毗咯就是具有高导电率的材料, 但因它有难溶、 难熔、 难加工的缺点使其实用受到很大限制。当前有许多研究工作是经过聚毗咯与其它柔性高聚物在分子水平上进行复合, 而获得具有高的力学性能和导电功能的高分子复合材料。PPY/PVC分子复合膜的导电性能、 结构、 形态以及力学性能的研究结果表明, 该复合膜比导电率在10-3～10-4 s/cm。SEM观察PPY/PVC膜断口形态不同于PVC基体膜,
它形成柱状而又互相连接的网络结构, 与PPV/nafion爪复合膜的岛屿结构形态也不相同。其模量温度谱与PVC膜也不同, 模量随温度的变化有个较平缓的变化区, 温度到80℃ 时仍保持一定模量值, 这说明该膜有较大的刚性和较好的耐热性。还有文献报导电聚合聚苯胺膜具有良好的电极电色效应, 它的循环伏安曲线有三对峰分别对应黄绿色 .绿色和蓝绿色之间的颜色互变, 因此可作为变色电极材料.
3.高分子膜材料的应用
各种不同类型的高分子膜已经在许多方面得到广泛应用, 却很有竞争力。
CO2回收膜: 是日本工业技术院化学技术研究所新创造的一种环境保护膜, 它是用聚醚矾合成的一种琼脂凝胶状薄膜。这种高分子膜能够分离和回收工厂或火力电厂排放的二氧化碳, 其效率达到世界先进水平。
废水净化膜: 瑞典创造。它主要依靠一个命名为” Antric” 的废水处理系统。这种系统是塔状结构, 塔中固体表面生长一层生物膜, 当废水从膜上滴下, 塔内就会产生厌氧环境,使废液中有机物去除, 同时产生含硫气体。这种气体再经清洁器循环净化, 即分离出硫元素而废水亦已变得澄清无毒。
诊测癌患膜: 日本医学家将蚕丝溶解、 干燥制成一种超纯丝素膜, 附上与抗原反应的单克隆抗体后,即可用来诊断癌症。由于它可使抗体固化在素膜上, 加人血液与过氧化酶标记的抗体后, 经过用装有载电极的免疫传感器测定癌细胞所释放的氧气的数量, 即可诊断是否患肠症。
除臭生化膜: 日本公司从绿茶中提取黄酮类化合物搅拌进聚乙烯材料制成五种除臭薄膜, 可除去70～90%的抓硫醇, 硫化氢, 甲服四大恶臭。时间至少保持24小时。同时还可除去体臭以及卫生间、 厨房、 饲养场和医院等场所的臭味。
食品控气保鲜膜:美国Htrcules公司采用一种新的食品保鲜膜, 它是利用新型的聚合物薄膜制成的包装材料。其技术的关键是采用一种带有细小气孔的薄膜。这种薄膜能控制包装内氧气与二氧化碳的交换, 保持一种能放慢水果和蔬菜呼吸的最佳气氛。另外, 它还能作为标签直接覆盖在密封容器的通气孔上, 经过将适宜的包装材料与新鲜食品的特性结合, 来实现包装内的最佳气氛控制。
超铜电导膜:日本筑波大学与日立制作所合作研制出一种电泉岸高于金属铜的新型聚乙炔膜, 其膜长20厘米、 宽3厘米、 厚50微米。在制法上其关键在于采用了向列型液晶。当乙炔原料与这种液晶掺在一起, 添加铝钦系催化剂后, 在磁铁附近即会产生高分子反应。生成的聚乙炔分子与液晶一起伸展结构上呈现金属原子那样的排列形式, 因此易于导电。其电导率当前已达1 西门子厘米, 但世界各国的研究目标则是实现100000西门子厘米。
无电阻耐蚀膜:日本东洋苏打制造公司与佐上中心化学实验室合作制成一种高性能氛基阴离子交换膜。这是经过高分子反应, 把氛基阳离子交换膜改变为具有阴离子型阴离子交换基极性开关的一种膜。该膜能耐受60℃氯饱水处理1500小时而不会产生不良影响。这一时间大约为烃基膜的倍。另外在60℃的6N的硝酸溶液中处理几百个小时, 对其电阻和化学结构也不会引起任何影响。由于它在含卤族元素离子的溶液中的电阻较低, 在氯化钠溶液中的电阻少于1欧姆/厘米2, 因而可用来制造各种高性能电池以及高温电渗析的隔膜等。
亚稳态超导膜: 美国劳伦斯一伯克利实验室利用在放电过程中打断化学键的方法研制成一种新的钨一氢薄膜。这种方法称为等离子体增强淀积法,它使用一台射频发生器电离并分解混合气体, 从而形成一种高活性的离子体。射频发生器以数兆赫的频率在300～350℃温度下工作, 因而能够用六氟化钨和氢气产生出钨原料亚稳态ß型薄膜。这种薄膜的超导特性要比普通à型钨薄膜好几倍。
超薄绝缘膜: 东京工业大学最近开发出仅有一个分子厚的塑料薄膜。这种薄膜用聚酞亚肢树脂制成为世界最薄的膜可用作砷化稼半导体的绝缘膜和液晶显示器的基盘膜等。
聚光贮电膜: 美国波音公司最近创造一种能将阳光聚集并转换为电能蓄贮使用的新型薄膜。这种薄膜电池分两层, 第一层由砷化稼和锑化稼组成第二层材料是铜锢二硒化合物。在模拟太空环境下工作时, 它几乎把30%的太阳能转换成电能。阿尔科太阳能公司制造的光电池薄膜, 它大小为11.4×35.5厘米, 艘盖在汽车顶篷上, 可源源不断地将电力贮于蓄电池。其电量足以供应汽车上的收音机、 电视机、 点烟器等电器设备使用。
节能增光膜: 日本公司利用二氧化钦和二氧化硅生产一种多层节能薄膜。它透过可见光能够反射热红外辐射。由于热阻很高, 将它涂于白炽灯泡表面, 既不影响发光, 还能将热红外辐射反射到灯丝上, 有助于灯丝加热。因此管状卤钨灯上涂敷这种薄膜后, 可节电50%左右。
4.高分子膜材料发展远景
随着科学技术的不断发展, 迫切需要耐化学性能和耐热性能优良的分离膜来满足生物工程、 食品及有机化工等领域的轰求。近年来合成的聚芳醚酮微孔滤膜, 由于结构特殊, 不但具有优异的热稳定性, 而且力学性能、 电性能也很好。在上述领域可望得到广泛应用。磺化聚矾是一种亲水性阴离子聚电解质, 具有强度好、 耐酸碱、 抗细菌侵蚀等优点, 由它制得的膜可望在海水淡化、 有机共沸物分离等方面得到广泛应用。具有良好应用前景的膜还有膜, 在生物膜模型、 微电子器件、 非线性光学传感器方面也有很大的潜在应用价值。另外, 用等离子体表面改性的液晶复合富氧膜在节约能源、 环境保护和医药卫生等方面都有着广泛的应用前景。
参考文献
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