基于性能优化的高分子膜表/界面结构设计、调控及相关科学问题研究

成果基本信息
关键词：	分离;膜表面;表面结构;基团;性能优化
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	18020011	资源采集日期：	2018-12-10

研究情况
单位名称：	浙江理工大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：
评价日期：		评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	孵化基地	联系人（平台）电话：	0771-3394012
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成果简介
材料的表面结构与性质是影响其诸多功能的关键因素，对材料表面结构进行设计与调控一直是新型功能材料开发领域中的核心问题，因而受到了越来越多的关注。大量的研究工作主要集中在利用化学或物理方法对材料表面改性，然后考察改性后材料的使用性能。对材料表面具体化学组成、结构以及构象尤其是使用过程中膜表面结构信息严重缺乏，因而难以从原位的或分子水平上研究材料表面微观结构的变化及其对材料使用性能的影响，实现材料表面的分子设计。本项目在国家自然科学基金的资助下，利用世界上最先进的单分子层表征技术和频振动光谱SFG技术，针对高分子分离膜表面结构设计与性能优化的关键科学问题，系统地研究了分离环境下高分子表面结构的重构过程及其影响因素，取得了以下成果：　　（1）首次从化学基团的角度考察了膜表面组成和分离性能之间的关系。利用端基离析技术制备了本体结构相同、表面基团不同的分离膜，比较了理想条件下表面带有各种化学基团膜的分离性能，首次明确了羧基更有利于提高膜的分离选择性。在此基础上，对具有工业化应用前景的PVA膜、壳聚糖膜进行表面羧基化改性，改性后的膜在醇水分离过程中表现出优异的分离性能。　　尽管溶解-扩散模型认为非多孔性膜的传质过程取决于混合物在膜表面的吸附速率和从膜表面进入膜内传递的速率，但对于膜表面结构与本体结构在传递过程中所起的作用缺乏实验证据。设计与制备了比较理想的表面化学基团相同、本体化学结构不同；表面化学基团不同、本体化学结构相同的渗透气化醇水分离膜。首次从实验上探索了膜表面基团与本体结构对其分离性能的影响规律，发现膜的分离选择性基本由表面化学基团决定，其中对水的选择性-COOH＞-OH＞苯环；而通量基本由本体决定。以此为基础对具有工业化应用前景的醇/水分离膜如壳聚糖膜、聚乙烯醇（PVA）膜表面进行羧基化修饰。当羧基引入交联壳聚糖膜表面后，膜对水的选择性提高了6倍，同时通量也有一定程度提高，解决了分离过程中常见的“trade-off”问题。该结果对于均质膜、复合膜等的结构设计和性能优化具有重要的指导意义。　　（2）提出分离环境下膜表面结构的变化及其对分离性能的影响。从表面重构的角度考察了分离过程中膜表面的环境响应性及其与分离性能的关系，并利用表面重构行为对膜表面结构进行优化，使其分离选择性得到明显改善。　　高分子表面是动态表面，其表面分子链、链段、基团会随环境的改变进行重新排列以适应环境的变化，使界面达到最稳定状态。首次系统地研究了分离环境下由于环境响应特性所造成的膜表面结构、构型的改变，并与分离性能进行关联。发现聚乙烯醇等高分子膜在分离乙醇水溶液过程中随分离的进行，由于待分离液的诱导作用膜表面发生重构，所形成的亲水性构型使其分离选择性不断提高。利用高分子膜的表面重构特性，能够实现对膜表面结构进行设计和优化，从而达到提高分离效率的目的。

成果名称：	基于性能优化的高分子膜表/界面结构设计、调控及相关科学问题研究	关键词：	分离;膜表面;表面结构;基团;性能优化
成果类别：		一级分类名称：	医学生物工程
二级分类名称：		三级分类名称：
研究起止时间：	2005.01 至2007.12	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	浙江理工大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	20474758
经费实际投入额（万元）：	23.00	评价单位：
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：		转让范围：
评价证书号：		推荐单位：
推广形式：	无	成果登记号：	18020011
成果简介：	材料的表面结构与性质是影响其诸多功能的关键因素，对材料表面结构进行设计与调控一直是新型功能材料开发领域中的核心问题，因而受到了越来越多的关注。大量的研究工作主要集中在利用化学或物理方法对材料表面改性，然后考察改性后材料的使用性能。对材料表面具体化学组成、结构以及构象尤其是使用过程中膜表面结构信息严重缺乏，因而难以从原位的或分子水平上研究材料表面微观结构的变化及其对材料使用性能的影响，实现材料表面的分子设计。本项目在国家自然科学基金的资助下，利用世界上最先进的单分子层表征技术和频振动光谱SFG技术，针对高分子分离膜表面结构设计与性能优化的关键科学问题，系统地研究了分离环境下高分子表面结构的重构过程及其影响因素，取得了以下成果：　　（1）首次从化学基团的角度考察了膜表面组成和分离性能之间的关系。利用端基离析技术制备了本体结构相同、表面基团不同的分离膜，比较了理想条件下表面带有各种化学基团膜的分离性能，首次明确了羧基更有利于提高膜的分离选择性。在此基础上，对具有工业化应用前景的PVA膜、壳聚糖膜进行表面羧基化改性，改性后的膜在醇水分离过程中表现出优异的分离性能。　　尽管溶解-扩散模型认为非多孔性膜的传质过程取决于混合物在膜表面的吸附速率和从膜表面进入膜内传递的速率，但对于膜表面结构与本体结构在传递过程中所起的作用缺乏实验证据。设计与制备了比较理想的表面化学基团相同、本体化学结构不同；表面化学基团不同、本体化学结构相同的渗透气化醇水分离膜。首次从实验上探索了膜表面基团与本体结构对其分离性能的影响规律，发现膜的分离选择性基本由表面化学基团决定，其中对水的选择性-COOH＞-OH＞苯环；而通量基本由本体决定。以此为基础对具有工业化应用前景的醇/水分离膜如壳聚糖膜、聚乙烯醇（PVA）膜表面进行羧基化修饰。当羧基引入交联壳聚糖膜表面后，膜对水的选择性提高了6倍，同时通量也有一定程度提高，解决了分离过程中常见的“trade-off”问题。该结果对于均质膜、复合膜等的结构设计和性能优化具有重要的指导意义。　　（2）提出分离环境下膜表面结构的变化及其对分离性能的影响。从表面重构的角度考察了分离过程中膜表面的环境响应性及其与分离性能的关系，并利用表面重构行为对膜表面结构进行优化，使其分离选择性得到明显改善。　　高分子表面是动态表面，其表面分子链、链段、基团会随环境的改变进行重新排列以适应环境的变化，使界面达到最稳定状态。首次系统地研究了分离环境下由于环境响应特性所造成的膜表面结构、构型的改变，并与分离性能进行关联。发现聚乙烯醇等高分子膜在分离乙醇水溶液过程中随分离的进行，由于待分离液的诱导作用膜表面发生重构，所形成的亲水性构型使其分离选择性不断提高。利用高分子膜的表面重构特性，能够实现对膜表面结构进行设计和优化，从而达到提高分离效率的目的。
联系人：	韩立	成果登记日期：	2018-01-31
联系人email：		单位代码：	93300623
邮政编码222：	310018	联系人电话：	0571-86843272
单位传真：	0571-86843000	单位通讯地址：	浙江省杭州市下沙高教园区二号大街
单位所在省市：		单位电话：	0571-86843272;86843014
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：	王新平;张伟	资源采集日期：	2018-12-10

基于性能优化的高分子膜表/界面结构设计、调控及相关科学问题研究

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