拉瓦爾大學最新科研學術(shù):氣體滲透多孔聚合物膜超低成本

拉瓦爾大學（法語：Université Laval)是繼美國哈佛大學（1632年)之后北美歷史最悠久的一所綜合大學，它的建校歷史可以追溯到1663年，最初是由新法蘭西第一任主教拉瓦爾(François de Montmorency-Laval) 創(chuàng)建的魁北克神學研究院（le Séminaire de Québec），一個培訓殖民地的牧師以及一些殖民地地區(qū)緊缺的職業(yè)人才的基地。1759年英國人征服新法蘭西地區(qū)之后，魁北克神學研究院則把相應的培訓拓寬到了各類自由職業(yè)。加拿大拉瓦爾大學

拉瓦爾大學培養(yǎng)了不少加拿大和國際著名人士，在政治方面有三名加拿大總理（路易·圣洛朗，馬丁·布賴恩·馬爾羅尼，讓·克雷蒂安），八名魁北克省長，多名聯(lián)邦政府和省政府的法官以及重要的政府官員和軍官。在社會上的其他領域（企業(yè)家，醫(yī)學家，科學家，經(jīng)濟師，作家，教授，記者，醫(yī)生和律師等等），很多加拿大著名人士的母校也都是拉瓦爾大學。

拉瓦爾大學最新科研學術(shù)，在過去的四年中，膜氣體分離行業(yè)的規(guī)模不斷擴大。這種增長與具有更高選擇性滲透性能的更有效膜的快速發(fā)展有關(guān)。用于氣體分離的膜可分為致密結(jié)構(gòu)或多孔結(jié)構(gòu)。盡管已經(jīng)使用了多孔材料，包括介孔二氧化硅和氧化鋁，但聚合物受到高度關(guān)注，因為它們在廣泛的條件（溫度）下更具延展性（不易碎），具體取決于最終應用，例如氣體分離、空氣/水過濾和生物/生物醫(yī)學凈化

最近拉瓦爾大學的Denis Rodrigue教授團隊制備了一種低成本的多孔聚合物膜，選擇聚乙烯（PE）作為基質(zhì)，而玉米淀粉（CS）用于通過浸出形成多孔結(jié)構(gòu)。通過連續(xù)擠出-壓延然后在80°C的20%乙酸水溶液中進行CS浸出來生產(chǎn)膜。對所得膜進行了完整的表征，包括形態(tài)和機械性能。工藝優(yōu)化后，通過膜的氣體傳輸特性基于純氣體滲透率確定，用于兩種特定應用：沼氣脫硫和富氧空氣。在25°C和1.17 bar下的理想滲透性和選擇性的氣體分離結(jié)果表明，這些膜是工業(yè)應用的良好起點，因為它們成本低、易于生產(chǎn)并且可以進一步優(yōu)化。

該工作以“A Low-Cost Porous Polymer Membrane for Gas Permeation”為題發(fā)表在《Materials》上。

/ 膜制備 /

第一步（混合）將LDPE和平均粒徑為10μm的玉米淀粉混合。在雙螺桿擠出機以獲得均勻的LDPE/CS混合物。然后進行造粒并在50°C的烘箱中干燥24小時?？紤]到加工方法（連續(xù)與非連續(xù)），一些樣品也是通過壓縮成型生產(chǎn)的

對于多孔結(jié)構(gòu)的形成，每個膜通過去除（浸出）淀粉顆粒產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)。研究了幾種條件，但在80°C下使用20%乙酸水溶液獲得了最佳CS萃取，而在液相連續(xù)攪拌下，浸出時間固定為48小時。為了確認乙酸對顆粒浸出的影響，還將純LDPE膜（0wt.% CS）浸入酸溶液中，在測試條件下沒有觀察到重量損失。這表明觀察到的所有重量損失都與淀粉顆粒的水解去除有關(guān)

/ 淀粉以及浸出后LDPE膜形態(tài)的表征 /

作者首先通過SEM顯微照片研究了淀粉以及浸出后LDPE膜形態(tài)， 顯示玉米淀粉顆粒具有多面體形狀和在室溫下不溶于水的無定形和半結(jié)晶相之間的交替結(jié)構(gòu)。淀粉的結(jié)晶度與支鏈淀粉的雙螺旋鏈、結(jié)晶區(qū)的親和力和分子間氫鍵有關(guān)。顯示了 CS浸出后LDPE膜的SEM圖像?？梢钥闯觯撃ぞ哂形⒖捉Y(jié)構(gòu)。仍有未提取的CS顆粒，證實未達到100%提取。然而，主要觀察到開放孔允許良好的連通性，但一些封閉孔是可見的，這解釋了為什么一些 CS 顆粒沒有完全提取，因為它們被基質(zhì)完全隔離（封裝）。

/ 熱性能分析 /

表明浸出后LDPE膜的熔融和結(jié)晶溫度與純LDPE相同，表明LDPE/CS共混物不相容。此外，沒有觀察到膜結(jié)晶度的顯著增加（Xc = 17%），表明CS沒有完全提取，并且兩相不混溶或相互作用非常弱。在LDPE熔融過程中得到的104℃、114℃和 124 ℃的三重峰表明基體由不同尺寸和類型的晶體（成核類型不同）組成，表明少量的小CS剩余的粒子可以作為異質(zhì)成核位點。

拉瓦爾大學最新科研學術(shù):氣體滲透多孔聚合物膜超低成本

/ LDPE膜的機械性能 /

呈現(xiàn)的應力-應變曲線?？梢宰⒁獾剑砑覥S使LDPE的楊氏模量從84 MPa降低到68 MPa，拉伸強度從8 MPa降低到5 MPa。這些減少與兩種成分之間缺乏相容性有關(guān)，因為它們具有不同的親水/疏水特性（玉米淀粉與LDPE）。此外，添加CS后較低的LDPE拉伸強度再次表明組分之間的界面相互作用較弱，導致其界面出現(xiàn)機械故障。另一種解釋與淀粉的內(nèi)在特性有關(guān)。眾所周知，玉米淀粉較脆，機械性能低。最后，由于多孔結(jié)構(gòu)的形成，提取后的膜具有最低的拉伸性能。在這種情況下，可用于承受所施加應力的材料較少。

/ LDPE膜的滲透性 /

眾所周知，純LDPE具有低透氣性，因為基質(zhì)是致密的，并且具有一些充當氣體屏障的結(jié)晶區(qū)，因此增加了滲透氣體分子的曲折度和平均自由程。通過將CS添加到基質(zhì)中，由于兩種材料之間的相容性差和結(jié)晶度較低，在鏈/相之間產(chǎn)生了自由體積/孔隙率，滲透率增加。然而，在CS提取后，最終結(jié)構(gòu)是一些封閉孔與互連孔網(wǎng)絡的組合，導致更高的傳輸性能。多孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生增加了氣體滲透性，導致更高的值，但選擇性是分離應用的主要參數(shù)。由于選擇性(α)和滲透性（P）之間總是存在權(quán)衡，因此將結(jié)果與標準Robeson上限進行了比較。這些結(jié)果表明，制備的膜可以作為這些氣體（CO2/CH4，O2/N2和N2/CH4），這將是未來工作的重點。加拿大醫(yī)博類大學

/ 總結(jié) /

在這項工作中，提出了一種簡單的方法來生產(chǎn)不含化學試劑或有毒溶劑的扁平多孔聚合物膜。作為第一步，原始LDPE被用作基質(zhì)，玉米淀粉作為生物基可浸出顆粒。然而，為了降低生產(chǎn)成本并保持工藝的可持續(xù)性，可以使用回收的LDPE（或任何其他熱塑性樹脂）和/或其他可溶性生物基顆粒。該過程是一個連續(xù)的擠壓-壓延混合/成型步驟，再加上一個浸漬浸出步驟，以形成多孔結(jié)構(gòu)。后者可以通過仔細選擇粒度和濃度來優(yōu)化/控制。在該工作中，使用50wt%的10μm商業(yè)玉米淀粉作為概念驗證。優(yōu)化后，選擇稀乙酸水溶液（20%）去除CS的效率高（超過91%?？傮w而言，所提出的方法簡單且經(jīng)濟，因為它基于低成本材料并且可以連續(xù)運行。DSC還表明，CS顆?？梢蕴岣週DPE的結(jié)晶度，導致氣體分子的路徑更加曲折。最后，在標準條件下測量CO2、CH4、O2和N2的滲透結(jié)果。憑借這些特性，預計這些膜可以實現(xiàn)合理的分離性能，至少在實驗室規(guī)模的應用中，例如沼氣脫硫、富氧空氣和天然氣體凈化。這些膜可單獨用于與循環(huán)流接觸的接觸器中，以提高氣體分離效率或用作多孔載體以涂覆活性層。也有可能通過改變模具幾何形狀使用類似的條件生產(chǎn)中空纖維。所有這些方面都將在未來的研究中進行調(diào)查。

長期以來，拉瓦爾大學為魁北克省、加拿大及整個北美地區(qū)培養(yǎng)了大批的人才，也塑造了魁北克省的法語世界。上個世紀60年代，在魁北克的寧靜革命時期，許多先進思想的醞釀來自拉瓦爾大學的社會科學院的學者和學生，拉瓦爾大學為魁北克社會轉(zhuǎn)型的需要提供了大量的人才。創(chuàng)建于1968年，擁有十所分校和教育機構(gòu)的魁北克大學的多數(shù)骨干教師和教授主要來自拉瓦爾大學，拉瓦爾大學普遍被認為是北美地區(qū)高等教育尤其是法語教育體系的一個領先標準，也被認為是法語以及法國文化在北美洲保存的一個杰出代表。

在當下很多大學都熱衷于追求在世界大學排名上的更高名次的活動中，許多有識之士也在質(zhì)疑一些排名的背后是否隱藏了商業(yè)和政治因素，這些排名是否真正與大學的教學質(zhì)量有關(guān)。“桃李不言，下自成蹊”， 拉瓦爾大學無視排名的低調(diào)應該是許多浮躁的院校學習的榜樣。