聚合物膜
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
聚合物膜的實例教程
使用平均場模型評估NIPS(非溶劑誘導相分離)過程
溶劑蒸發和相分離是聚合物膜生產中的重要過程。模擬被用于評估相互作用、初始條件等對膜內部結構的影響。在J-OCTA和OCTA案例中，耗散粒子動力學(DPD)、粗粒化MD和平均場方法應用于定向自組裝(DSA)[1]、電極漿料涂層[2]和旋轉涂層[3]。NIPS(非溶劑誘導相分離)是一種生產細多孔膜的技術。在近期發表的幾篇論文中，考慮了流體力學效應[4]、DPD[5]、SCFT[6]、聚合物組分的玻璃化轉變[7,8]、粘彈性[9]和嵌段共聚物[10]的多尺度計算，詳見文末的參考文獻。本文給出了MUFFIN模塊中平均場的2D樣例：本例基于Flory Huggins自由能模型，參數取自參考文獻[4][6]。如圖1所示，計算域的上半部分為非溶劑，下半部分為含有聚合物、溶劑和非溶劑混合物的膜。當動力學計算開始時，非溶劑滲透到膜的下半部分；而膜中的溶劑擴散到上半部分。由于聚合物可溶于溶劑，但不溶于非溶劑，因此會發生相分離。以這些計算結果為基礎，就能將參考文獻中討論的效應考慮在內。
圖1.考慮NIPS過程的聚合物膜中相分離的時間演變，綠色和藍色區域分別代表聚合物和非溶劑組分
參考文獻：
[1] https://www.j-octa.com/cases/caseA26/
[2] https://www.j-octa.com/cases/caseA36/
[3] https://octa.jp/components/muffin/
[4] Soft Matter,13, 3013, (2017)
[5] J.
展開 具有分子/離子級超快選擇性傳輸通道結構的納米流體膜是實現高效分離、催化、離子整流、生物傳感、以及能量儲存和轉換的核心器件。然而，現有報道的納米流體膜通常是由生物水通道蛋白、無機碳納米管、二維納米片以及多孔框架材料等通過復雜的納米化學合成方法和制膜過程獲得，成本高、能耗大和膜面積較小等問題限制了其規模化制備和應用。聚合物材料易于合成、成膜性好，但是常規聚合物分子鏈間容易相互纏繞和緊密堆疊，因此，制備高效選擇性傳輸的聚合物納米流體膜仍是一個巨大的挑戰。基于此，浙江工業大學膜分離與水科學技術研究院高從堦院士團隊與北京工業大學環境化工系安全福教授團隊合作，提出了以兩性聚合物納米粒子為模板誘導界面晶化構筑超高滲透選擇性聚合物納米流體膜的研究策略。相關成果以“Superfast Water Transport Zwitterionic Polymeric Nanofluidic Membrane Reinforced by Metal–Organic Frameworks”為題在《Advanced Materials》期刊上發表，
該工作提出“以兩性聚合物納米粒子為模板誘導界面晶化”構筑聚合物納米流體膜的研究策略。利用兩性聚合物納米粒子含有的兩性離子基團吸附金屬離子配位，進而誘導納米晶體MOFs在兩性聚合物納米粒子外層及粒子界面限域空間原位生長（圖1）。納米晶體MOFs具有高孔隙率、大比表面積，將其引入可以調控兩性聚合物納米基元界面孔尺寸，同時進一步提升膜的孔隙率及孔有效連通性。
展開 圖3聚合物云母膜的光學性能
(a) 仿生云母膜制備的示意圖；
(b) 不同比例的仿生云母膜的可見紫外透過率；
(c-d) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的可見光透過和紫外屏蔽性質的對比；
(e-f) 大尺寸的仿生云母膜的實物照片和微觀結構；
(g) 不同厚度的仿生云母膜的可見紫外透過率。
圖4 聚合物云母膜的機械性能以及柔性透明器件制備
(a-c) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜拉伸應力和光學性能的對比；
(d-e) 仿生云母膜的斷裂形貌和斷裂機理；
(f) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的紫外老化對比；
(g-i) 以仿生云母膜為基底的柔性電子器件。
【小結】
本文中成功實現了超薄云母納米片的大量剝離法制備，并進一步利用噴涂組裝技術將所得云母納米片制備成了具有優異的機械性能、高電絕緣性和可見紫外光選擇性的類貝殼層狀結構的仿生聚合物云母膜，其整體性能優于天然片云母和其他種類的粘土仿貝殼薄膜?；谠摲N聚合物云母膜的獨特性能，其在柔性透明電子器件等領域具有廣闊的應用前景。此外，該技術還有望推廣到其他聚合物復合材料以及透明的紫外屏蔽涂層的研發。
文獻鏈接：Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film (Nat. Commun. 2018, 9, 2974, DOI: 10.1038/s41467-018-05355-6)
展開 膜分離技術因其低能耗、低成本、分離效率高等優點，成為獲取水資源的主要技術。近年，青島科技大學閆業海教授及課題組內張廣法副教授、高愛林副教授在開發新型高效分離膜材料方面開展了大量工作，并取得系列進展。
在海水淡化用分離膜領域，為進一步提高膜的脫鹽效率和產水率，課題組分別研究了雙疏型蒸餾用膜和高效界面光熱轉換膜。針對膜蒸餾技術中，單一疏水型聚合物膜容易被含有機溶劑或表面活性劑的原料液潤濕，進而導致膜污染和截鹽率下降的問題，課題組巧妙利用NIPS法制膜過程中易于得到的互穿網絡膜孔結構提供構建雙疏表面的倒懸結構。獲得的疏水疏油聚砜膜對水和有機溶劑均表現出抗浸潤性，延長膜蒸餾使用周期（見圖1）。
圖1雙疏型聚砜膜的形貌、浸潤性與膜蒸餾性能
該研究成果發表于膜領域top期刊Journal of Membrane Science，第一作者為碩士生范慧琴。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117933
界面光熱轉換膜可利用太陽能作為加熱源，實現對海水的蒸發收集。其中提高光熱轉換界面層的光熱轉換效率是提高水蒸發速率的關鍵。課題組將還原氧化石墨烯（rGO）包覆的聚苯乙烯微球沉積于聚砜膜表面，構建具有高度粗糙結構的rGO吸光層，進一步提高了膜表面對太陽光的吸收效率（96%），水蒸發速率可提高至1.86 kg m-2h-1，見圖2。
展開 高性能分離膜技術可以去除染料、抗生素、CO2等分子級別污染物，是解決水污染問題和全球變暖等問題的重要手段。然而，分子分離膜滲透性和選擇性之間的“trade-off”現象是分子分離膜技術規?；コ肿游廴疚锏恼系K。近年來，通過納米填料調整聚合物選擇層孔結構的方法引起了廣泛關注，尤其是通過金屬有機框架化合物（MOFs）等材料的有機基團可以提高納米填料與聚合物膜之間的相容性，從而增強膜的滲透性和選擇性。但是，納米粒子的團聚趨勢阻礙了這類膜的規?；苽?。
近日，哈爾濱工業大學（威海）程喜全副教授團隊通過在UiO-66上接枝對苯乙烯磺酸鈉（PSS）設計了一種高度分散的納米顆粒（UiO-66-PSS），并將這種納米顆粒分別增效聚電解質納濾膜和PEBA氣體分離膜傳質過程。PSS作為一種帶負電荷的水溶性物質可以促進UiO-66在水相中的分散并減少UiO-66顆粒間的聚集，獲得性能優異的納米復合膜。
圖1.（A）在UiO-66表面接枝PSS鏈的示意圖；（B）高度分散的PSS-UiO-66可實現在水環境修復和二氧化碳捕獲中的高效分離
通過原子轉移自由基聚合（ATRP）技術將PSS接枝到UiO-66上，改善了UiO-66的分散性并調整了改性UiO-66與PEM的聚電解質選擇層之間的相互作用。接枝后，UiO-66-PSS展現出優異的分散性，較小的納米顆粒尺寸和較窄的尺寸分布。
圖2.
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</p><p><br></p><p>為了應對這一挑戰，該團隊轉而使用Ansys Fluent流體仿真軟件及其聚合物電解質膜（PEM）燃料電池模型，來研究燃料電池可能遇到的各種場景，Karami打趣道，這些場景都來自“我們辦公室的受控溫度環境”。
設備簡介
設備名稱：激光共聚焦顯微拉曼光譜儀
設備型號：DXR 3xi
在樣品分子結構和空間分布分析時，通常會遇到很多具有一定透明度的樣品如超薄多層聚合物、半導體多層膜、鍍層、多層纖維、生物細胞等，不僅需要實現表層信息的分析，同時需要探測內部成分和空間分布信息，而這些樣品大多數不能或不易切片，需要尋求具有無損探測樣品內部信息的分析手段
所涉及的工藝步驟如下：
1.使用粘性聚合物轉移膜粘住透明供體基板上的多顆芯片；
2.使用一種高精度的顆粒定位工具將掩模、供體板和襯底堆疊排列；
3.在外在激光的激活和控制下，目標芯片器件被選擇性地釋放，進而準確地放置在基板上。
圖1.
然而，由于目前還沒有關于BN膜填充聚合物復合材料的系統工作，因此對其通面熱導率仍然是未知的。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林老師針對解決現代電氣器件散熱用的具有高面外導熱系數，優異的柔軟性和電絕緣性對的TIMs取得最新進展。
使用平均場模型評估NIPS(非溶劑誘導相分離)過程
溶劑蒸發和相分離是聚合物膜生產中的重要過程。模擬被用于評估相互作用、初始條件等對膜內部結構的影響。在J-OCTA和OCTA案例中，耗散粒子動力學(DPD)、粗?；疢D和平均場方法應用于定向自組裝(DSA)[1]、電極漿料涂層[2]和旋轉涂層[3]。NIPS(非溶劑誘導相分離)是一種生產細多孔膜的技術。
通過將該結構的聲傳輸損失與等效質量的聚合物膜結構和金屬膜結構進行比較，進一步展示了該結構在ETFE膜建筑中的潛力。最后，深入討論了碳納米顆粒質量分數和EPDM/ETFE材料的物理參數等7種影響因素對該顆粒增強聚合物薄膜超材料聲隔音性能的影響規律，并得出以下主要結論：
1）該MAM的傳聲特性主要是由結構的局部共振和區域表面密度形成的，導致結構振動模式的頻率和振幅不同，表面振動的幅度不同。
紅外顯微已經成為表征多層聚合物膜結構之最重要的一種技術了。紅外光譜能夠鑒別材料的結構，而一臺紅外顯微鏡可以對最小10μm 的樣品進行分析，包括可以鑒別多層膜中每層膜的結構。本文介紹了紅外顯微鏡在傳統多層膜和新型可分解材料上的應用。
聚合物多層膜的紅外顯微鏡分析
聚合物膜的紅外顯微分析可以使用透射或者ATR 技術。
來源 | ACS Applied Nano Materials
01
背景介紹
隨著電子設備的逐步升級，電子元器件也發生了質的飛躍。它們體積小型化，功能多樣化，功率越來越大，這必然會導致熱量集中，甚至縮短設備壽命，造成設備故障。聚合物具有輕質、電絕緣、柔韌性等優良性能，能夠滿足柔性電子新技術發展的需要。然而，聚合物的低固有熱導率限制了它們在電子領域的應用為滿足散熱需求
到目前為止，聚合物/BN復合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的導熱系數一般小于10 W/(mK)。然而，這種聚合物膠合填料骨架，由于簡單的物理接觸，相鄰填料之間的界面相互作用相對較弱，這在結處造成強烈的聲子散射，極大地限制了所得復合材料的導熱性增強。
聚合物-六方氮化硼(BN)復合材料因其高導熱性和優異的電子絕緣性而成為電子器件理想的熱界面材料(TIM)。
膜可以包括聚合物，例如乙酸纖維素、聚乙炔、聚苯胺、聚醚酰亞胺、聚碳酸酯、聚（環氧乙烷）和聚砜，并且無機膜包括沸石、鈣鈦礦和金屬有機框架。相對于聚合物膜，無機膜通常具有改進的穩定性，特別是在苛刻的操作條件下。
