聚偏氟乙烯功能膜研究进展

聚偏氟乙烯功能膜研究进展

杨瑜珂

（成都理工大学工程技术学院 核工业西南物理研究院 四川 乐山 614000）

【摘要】聚偏氟乙烯（PVDF）机械性能、耐老化及耐化学腐蚀等性能优良，广泛应用于膜分离与膜过程领域，但其亲水性能差、易受污染使其在膜分离方面的应用受到，对其亲水性和抗污染性是目前研究的重要课题；其β晶型的特殊结构使PVDF具有优异的介电性、压电性和铁电性等，在介电材料、压电材料等领域应用愈来愈广，但晶型的多样性及聚集状态使得其电学性能不稳定，因此控制β晶相的含量及其有序聚集状态是能量存储和转换材料领域研究的前沿趋势。【关键词】聚偏氟乙烯；分离膜；介电性；压电性【中图分类号】TQ325.3 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2019）12-0008-02Research progress on poly (vinylidene fluoride) functional membranesYang Yuke .The Engineering & technical College of Chengdu University of technology,Southwest Institute of Physics, Le shan, Sichuan, 614000,China【Abstract】Benefiting fromits outstanding properties of mechanics, aging resistance and chemical corrosion resistance, poly (vinylidene fluoride) (PVDF) has been widely proposed as ameritorious material for separating and processing membranes. However, itsdefects of poor hydrophilicity and easy to pollute,to some extent, had hindered its application and development in membrane separation.PVDF,withdistinguished dielectricity, preeminentpiezoelectricity and particular ferroelectricity etc.endowed by its unique structure in β crystal, has been raising an enthusiasticwave of researches and applicationsin dielectric and piezoelectric material fields.Nonetheless, the diversitiesand aggregation of its crystalstyles has generatedunstable and turbulentelectrical properties.Herein,how to charging the content ofβphase and ordering state of aggregation has been concerned and been trending in the field of energy storage and conversion researches.【Key words】Poly (vinylidene fluoride);Membrane separation;Dielectricity;Piezoelectricity1󰀁󰀁引言

近年来，聚偏氟乙烯（PVDF）以其优良的成膜性、耐化学腐蚀性及机械稳定性等被广泛用作制备微/超滤分离膜，并应用于水处理及废水处理中。当前，能量转换和储存功能材料领域飞速发展，具有铁电性、高介电击穿强度和优良的加工性能的聚偏氟乙烯成为材料科学领域的研究前沿。本文主要介绍PVDF功能膜在膜分离和膜过程、介电储能及能量转换材料领域等方面的应用和一些最新的研究进展。

2󰀁󰀁膜分离与膜过程领域

自1980年Uragami等[1]采用浸没相转化法制备了PVDF微孔膜后，PVDF被用作分离膜材料而受到广泛关注。后续研究发现PVDF由于其较大的疏水性能、较低的表面能、易受到污染及通量急剧减小的特性了PVDF在污水处理、海水淡化及饮用水处理等水环境分离膜领域的应用。因此，关于PVDF改性研究已成为当前PVDF分离膜研

究的热点。

Akram等[2]采用氧化还原接枝聚合法制备了将-SO3-和-NH3+接枝到氧化石墨烯表面，制得有两性离子梳型氧化石墨烯纳米片层，随后将改性的氧化石墨烯片层分散于PVDF基备出高抗污染性的纳米复合膜。结果表明，两性离子改性氧化石墨烯的加入能改善PVDF的亲水性能，并当其含量为1wt%时复合膜的抗污染性能最好，且膜通量恢复率为95.3%，可逆性的膜污染率为32.3%，而不可逆的膜污染仅为4.7%。刘晓迪等[3]采用全氟磺酸基接枝氧化石墨烯制备了改性PVDF膜，当全氟磺酸基与氧化石墨烯的比例为2.5:1，全氟磺酸基接枝氧化石墨烯的含量为0.5wt%时，PVDF膜通量提高1.5倍，同时分别对牛血清蛋白和腐蚀性酸的截留率高达93.9%和79.6%。该研究还发现膜孔尺寸大小和空隙率取决于全氟磺酸基与氧化石墨烯的相对含量。刘大鹏等[4]采用气相等离子体处理和表面原子自由基转移聚合法，将甲基丙烯酰胺接枝

for improved water vapor separation[J].J-ournal of Membrane Science.2017,525:187-194

[21]吕露.一种空调用除湿膜及其制备方法及其空调[P].CN106853342A.2017.06.16.

[22]韩瑞琪.一种聚酰亚胺共混物致密性除湿膜及其制备方法[P].CN106633877A.2017.05.10.

作者简介：常达（1992-），男，研发，现主要从事气体分离膜及锂电相关材料的研发。

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[19] Pravin G.Ingole,Muhammad Irshad Baig,Wook Choi.et al.Synthesis os supe-rhydrophilic Nafion based nanocomposite hollow fiber membranes for water va-por separation[J].Chemical Engineering Research and Design.2017.127:45-51.

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信息记录材料 2019年12月 第20卷第12期 综述·论著到膜表面，制备了抗污性PVDF微滤膜。结果发现接枝膜对蛋白质和油的抗污能力均得到了增强，与水的接触角从121.6゜降低到29゜，相应的水通量恢复率高达86%和82%。Bhaskar等[5]采用电喷涂的方法将ZnO纳米颗粒和PVDF-HFP的混合物喷涂于有机硅改性的PVDF表面制得了超双疏型功能膜，当ZnO的含量为PVDF-HFP的30%时，双疏性能达到最高，其对水、十二烷基硫酸钠、乙醇和植物油的接触角分别高达159゜，129.6゜，130.4゜和126.1゜，表面能低至0.78±0.14mN/m，表面粗糙度达到1.37μm。

当前，通过物理方法、化学方法等对PVDF亲水性、抗污染性、通量持续稳定性等方面的改性在膜分离和膜过程领域中广阔的应用前景。3󰀁󰀁储能及能量转换材料领域

PVDF的β晶型TTTT构型中F原子分布在C主链的一侧,在外电场的作用下更容易极化,具有优异的电学性能。因此，研究者们致力于通过控制β晶型的含量来改变PVDF功能膜压电性能[6,7]。

王凌云等[8]采用静电纺丝法，通过改变滚筒转速收集纤维,得到了有序程度不同的PVDF纤维膜。结果表明：提高滚筒转速,有利于纤维有序度增强,β相的含量提高,压电电压输出明显增加。在压力传感器实验中显示：当压力处于0.145～0.165MPa时，其电压输出随气压的增加呈线性增大,灵敏度高179mV/kPa。李雄杰等[9]研究不同极性溶剂和结晶温度对PVDF纤维膜中β晶型含量的影响，结果表明溶剂的极性有利于提高β晶型含量，以THF为溶剂制得的PVDF膜以α晶型为主，但随着溶剂偶极矩的增加，α晶型的含量逐渐降低，β晶型含量逐渐成为主要晶型。最终，以DMSO为溶剂并在温度为60℃的条件下结晶，制得的PVDF膜中β晶型含量高达98.8%，并表现出良好的铁电性和压电性，其剩余极化系数和压电系数分别为7.7μC/cm2和-25pC/N。Meng等[10]采用无需任何有害气体、溶剂、电学和化学处理的折叠-压缩法制备出β晶型含量高达98%的PVDF膜，通过弛豫行为实验发现：当PVDF膜的分子质量在670～700kg/mol时，经过880KV/mm的电场强度极化后，其储能密度能高达35J/cm3，能量效率高达74%，而商用电化学电容器储能密度仅为20～29J/cm3。

PVDF具有加工性能好、介电损耗低、介电常数高等优点，通过研究PVDF基介电复合材料及其制备新工艺成为现今介电材料领域研究的热点。4󰀁󰀁结语

PVDF功能膜具有良好的抗辐射、耐老化和耐化学腐蚀性能,长期置于室外不变脆,不龟裂等优点，可用作生物膜反应器（MBR）、催化剂载体[11]等；能通过特殊手段实现机械振动能和电能之间的相互转化，因而在压电材料领域也有较多的研究。

PVDF膜作为一种性能优良的高分子材料,在膜分离与膜过程、介电储能材料等领域的应用前景广阔。但目

前各种制备PVDF膜的方法都有自身的优势和局限性,都会对膜的结构和性能产生直接影响。因此,对PVDF膜的改性技术和制备新工艺的探索已成为今后研究的前沿方向。【参考文献】

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