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烷烃-离子液体界面聚合制备纳米聚酰胺薄膜

界面聚合是两种高反应性单体在两种互不相溶的溶剂界面处发生的聚合反应。界面聚合因其独特的反应场所和高效稳健的特性,已被广泛应用于各种功能聚合物的合成。其中,通过界面聚合制备的聚酰胺薄层复合膜在海水淡化等分离领域取得了巨大成功,为解决人类水资源短缺问题提供了希望。


这种聚酰胺分离膜的制备,通常是将二官能度胺类单体溶于水中,三官能度酰氯单体溶于在机溶剂中,使两单体在有机溶剂-水界面上发生聚合反应,合成交联的聚酰胺纳米薄膜。然而,常规的有机溶剂-水体系必须使用水溶性胺类单体,导致大量拥有独特分子结构和理化性能的非水溶性胺类单体无法用于聚酰胺纳米薄膜的制备,这限制了特定任务分离膜的开发。此外,界面上水的存在将不可避免地引起酰氯水解副反应,使薄膜交联度降低,产生缺陷。


近日,浙江大学徐志康点击查看介绍)团队提出了一种基于烷烃-离子液体溶剂体系的界面聚合反应。离子液体是液态有机熔盐,具有优良的溶解能力和化学稳定性,这使很多非水溶性胺类单体能够用于聚酰胺纳米薄膜的合成,同时避免酰氯单体水解。

图1. 烷烃-离子液体界面聚合示意图以及所得聚酰胺薄膜。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


研究者通过热力学分配计算、扩散动力学监测以及薄膜结构表征,证明了这种新型界面聚合反应由酰氯扩散进入离子液体中与胺类反应而进行,而不是像常规的有机溶剂-水界面聚合,由胺类扩散进入有机溶剂相发生反应。这种机制给出了该界面聚合体系的膜厚调控方案,即提高胺类单体浓度和降低酰氯单体浓度能够有效降低膜厚。

图2. 界面聚合扩散机理研究。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


进一步,研究者通过精细选择单体种类、调控单体浓度,制备出了一系列孔径在埃尺度可设计的高交联度超薄聚酰胺纳米薄膜(厚度低至4.3 nm,交联度可达96.2%),这些薄膜在水相反渗透、水相纳滤、有机纳滤和气体分离领域表现出高渗透性和选择性。

图3. 可设计孔径的聚酰胺纳米薄膜的分离性能。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是浙江大学博士研究生刘畅和杭州师范大学青年教师杨静博士。


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Interfacial Polymerization at the Alkane/Ionic Liquid Interface

Chang Liu, Jing Yang, Bian-Bian Guo, Seema Agarwal, Andreas Greiner, Zhi-Kang Xu

Angew. Chem. Int. Ed.2021, DOI: 10.1002/anie.202103555


徐志康教授简介



徐志康,浙江大学高分子科学与工程学系教授、博士生导师。1963年出生于太湖之滨,1981年就读于浙江大学,1985年起师从杨士林先生从事配位聚合研究,1991年获理学博士学位,留校任教至今。2000年起从事聚合物分离膜的制备、表界面工程及其应用基础研究,旨在支撑微滤–超滤–纳滤–反渗透水处理膜的全链条高性能化。出版中英文专著3部,在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文400余篇,获发明专利授权60余项,亲水聚丙烯微滤膜、梯度孔聚砜超滤膜、薄层复合聚酰胺纳滤膜相继实现产业化与应用,获基金委杰出青年基金支持、5项省部级及以上成果奖励、全国优秀科技工作者、爱尔维思高被引学者等荣誉。


https://www.x-mol.com/university/faculty/21756 


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