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气体选择性透过薄膜材料被广泛应用于富氧、浓氮、天然气提纯、有机蒸汽脱除和回收、净化工业废气等领域。透过率与选择性是气体选择性透过薄膜材料的两个重要参数。通常来讲,聚合物材料的最大缺点是高渗透性、高选择性二者不能兼顾。通过将无机二维纳米材料添加入有机薄膜中,利用物理阻隔和界面化学相互作用,可以选择性阻隔某些气体分子而使特定气体分子可以通过,提升薄膜的气体选择性透过性能。但是,该类有机/无机复合薄膜材料在实际应用过程中仍然存在许多挑战,如:在高湿度环境中,薄膜中的聚合物容易发生塑化作用,导致其气体阻隔性能大幅下降,不利于实现对含水蒸汽混合气体的分离;受通透性和选择性相互制约的影响,现有的薄膜材料很难突破“trade-off”效应的限制,实现对特定气体的高选择性、高渗透性分离。为了解决以上问题,本论文选取二维无机纳米材料水滑石(LDHs)为构筑基元,采用层层自组装的方式将不同聚合物和LDHs复合成膜,研究了薄膜材料的气体选择性透过行为,通过调控薄膜结构、组成及界面相互作用,强化了其气体选择性透过性能。本论文主要研究内容如下:1.(LDH/CMC)n薄膜的组装及水蒸汽选择性透过性能研究首先采用水热合成法制备了大粒径的MgAl(C03)-LDHs片状粒子,再依次通过阴离子交换和层板剥离得到单层的LDHs纳米片。随后采用层层自组装(LBL)法将其与羧甲基纤维素钠(CMC)在聚丙烯(PP)基底上进行组装,得到了(LDH/CMC)n复合薄膜。对其气体透过行为进行了研究,发现(LDH/CMC)30薄膜具有较低的氧气透过速率(OTR),为0.106 cm3 m-2 day-1 atm-1,较基底下降了 99.89%。其优异气体阻隔性能是由于LDHs纳米片的大长径比和高度取向延长了气体分子的透过路径。与对气体分子的阻隔作用相反,该薄膜对水蒸汽表现出促进渗透作用,与空白基底的水蒸气透过速率(1.95 cm3 m-2 day-1 atm-1)相比,薄膜的透水速率得到了显著提升(2.32 cm3 m-2 day-1 atm-1)。进一步研究了水蒸气分别与四种气体(O2,CO2,N2,CH4)混合组分的透过速率,薄膜对四种混合气体均表现出水蒸气选择性透过性能,其选择性透过因子(F)分别为:F(H2O/O2)=21.877,F(H2O/CO2)=19.496,F(H2O/N2)=193.333,F(H2O/CH4)=36.825。这是由于薄膜内丰富的亲水性基团可以吸收环境中水分子并与其形成氢键,构筑了水分子透过的通道,并且其在100%湿度环境下的含水量达到约70.1%,增大了基底两侧的水蒸汽渗透压。优异的水蒸汽选择透过性能使得该薄膜在空气除湿和天然气开采加工等领域具有潜在的应用价值。2.(LDH/FAC)如-PDMS薄膜的组装及CO2选择性透过性能研究采用LBL技术将单片层LDH与甲脒亚磺酸(FAC)在聚四氟乙烯(PTFE)基底上复合成膜,随后在其表面喷涂一层PDMS,得到了具有高度取向分布结构的(LDH/FAC)n-PDMS薄膜,研究了气体选择性透过性能。N2、H2、CH4和CO2气体在(LDH/FAC)25-PDMS薄膜中的透过速度分别为1.92、3.78、2.61和162.70Barrer,CO2的透过速度远大于其他三种气体。其C02选择性透过因子分别为85.63(CO2/N2)、43.04(CO2/H2)和62.34(CO2/CH4),说明(LDH/FAC)n-PDMS薄膜对CO2气体的透过表现出高选择性。更为重要的是,与罗宾逊曲线进行对照后发现,其CO2选择性透过性能突破了“trade-off”效应,表明(LDH/FAC)25-PDMS同时具备了高选择性与渗透性。该薄膜优异的气体选择性透过性能归因于:首先,CO2可与FAC发生质子化反应,生成的HCO3-被带正电的LDHs吸引并与层板上丰富的碱性位点产生相互作用。同时,质子化反应的另一产物FAC+所带电荷扰乱了附近LDH的取向分布,为LDH层板上附着的CO2分子的透过提供了通道。(LDH/FAC)n-PDMS薄膜突出的CO2选择透过性能使得其在烟道气净化、提纯天然气和抑制温室效应等领域具有巨大的应用潜力。