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摘 要

近年来，嵌段共聚物分离膜因其易于通过选择性溶胀等方法制备出规整有序的孔道结构而引起人们的重视。但是，传统的膜因其不可改变的孔径和表面性质限制了其高效应用。受到有着刺激响应通道的细胞膜的启发，激响应性的智能膜膜被开发出来，能够通过改变膜周围环对孔径和表面性质进行调节。其中光刺激被认为指一种具有高选择性、迅速且不会对系统化学势产生影响的方法，光刺激响应膜对于开发智能化与多功能化的分离膜具有重要意义。现有的光刺激响应膜的制备方法主要是通过接枝的方法将光响应性聚合物固定在膜内或是膜表面，步骤较为繁琐。本实验采用将具有光热效应的染料imNi8(4)与嵌段共聚物共混制备光刺激响应膜，基于选择性溶胀的机理，对膜表面局部开孔。

关键词：嵌段共聚物 选择性溶胀 刺激性响应膜 光热效应

Abstract

In recent years, block copolymer separation membranes have attracted much attention due to their easy preparation of regular and ordered pore structures through selective swelling and other methods. However, the unalterable pore size and surface properties of traditional porous membranes restrict their efficient applications. Inspired by natural cell membranes with stimuli-responsive channels, artificial stimuli-resoponsive smart membrane are developed, whose pore size ang surface properties can be easily tuned via changing the environment surrounding the membrane. Among them, photo stimuli is considered as a method with high selectivity, rapidity and no influence on the chemical potential of the system. Photo-responsive membrane is of great significance for developing intelligent and multifunctional separation membranes. The existing preparation method of the photoresponsive film mainly fixes the photoresponsive polymer in the film or on the surface of the film by grafting, so the steps are complicated. In this experiment, the photo-thermal dye imNi8(4) was blended with block copolymer to prepare photo-stimulation response membrane based on the mechanism of selective swelling.

Key words: block copolymer, selective swelling, stimuli-responsive membrane, photo-thermal

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪 论 1

1.1嵌段共聚物膜 1

1.1.1嵌段共聚物的微相分离 1

1.1.2嵌段共聚物膜的成孔方法 2

1.1.3 嵌段共聚物的选择性溶胀 4

1.2刺激响应性智能膜 4

1.3本课题研究内容及意义 5

第二章 材料与实验 8

2.1仪器与试剂 8

2.1.1仪器 8

2.1.2 试剂 8

2.2 膜制备 9

2.3 选择性溶胀 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 不同选择性溶胀条件下嵌段共聚物膜的表征与讨论 12

3.2 含染料膜的光热效应 16

3.3 含染料的PDMAEMA-b-PS膜光致溶胀的表征与讨论 18

第四章 结论与展望 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪 论

1.1嵌段共聚物膜

1.1.1嵌段共聚物的微相分离

膜分离技术因为其低能耗、无相变、环境友好以及易于与其他化工过程耦合的优势，在化工、环保、海水淡化和生物制药等领域得到了相当广泛的应用^[1]。近年来，出现了很多新型的膜材料，如碳纳米管^[2]、自组装聚合物^[3]和共价有机框架^[4]等，这些材料被用于膜制备以达成改善膜性能和拓展膜应用领域的目标。在这些材料中，嵌段共聚物被认为是制备高性能膜的潜力巨大的材料之一^[5]。

嵌段共聚物作为新型的膜材料，因其能形成大面积有序、窄孔径分布的分离膜而备受关注。嵌段共聚物是一类特殊的共聚物，它由化学结构不同的两个或多个高分子链段通过共价键连接而成。嵌段共聚物通常按结构可以被分为线型、枝装(接枝或星型)和环型结构等^[6,7]，图1-1描述了嵌段共聚物许多种结构中典型的几种。近年来，随着聚合物合成策略和技术的进步，比如可控的聚合过程和简易的后聚合官能化等，我们能够制备分子量精确可控以及确定的大分子结构的嵌段共聚物。嵌段共聚物这种非凡的结构以及构成嵌段的多样性，促进了新型合成方法的研究和实践的爆炸性增长，这些方法能制备之前无法得到的复杂结构

图1-1 嵌段共聚物的几种代表性结构，从左至右分别为线型、梳型、星型和环型

因为构成嵌段共聚物的均聚物链段热力学不相容，嵌段共聚物在适当的热力学条件下能够发生相分离，但因为各嵌段之间通过共价键连接，相分离只能发生在微观尺度上，也就是所谓的微相分离。自1960年代开始，人们就通过实验和模拟对由不相溶嵌段构成的嵌段共聚物的自组装行为进行了充分的研究^[8]。

自组装过程是由不利的混合熵和很小的混合熵驱动的。对于A嵌段和B嵌段组成双嵌段共聚物来说，A、B两嵌段的体积分数f_A和f_B（f_A f_B = 1）、重复单元数(N_A、N_B)、Flory-Huggins(χ_AB)是决定嵌段共聚物微相分离形貌的重要参数，形貌通常可分为球状(S)、柱状(C)、螺旋状(G)以及层状(L)等形貌，如图1-2所示。

图1-2 AB双嵌段共聚物的平衡形貌，S和S’为体心立方球相，C和C’为六方堆积柱相，G和G’为螺旋相、L为层状

1.1.2嵌段共聚物膜的成孔方法

嵌段共聚物在微相分离后，得到在由嵌段共聚物中含量较多的嵌段组成的基质中周期分布的特征尺寸为10-50纳米范围的含量较少嵌段的纳米区域。通过将含量较少嵌段的纳米区域转变为空隙，我们就能得到多孔的主体嵌段框架，其中孔的位置由原先的含量较少的嵌段占据^[9,10]。

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