拉瓦爾大學(xué)最新科研學(xué)術(shù):氣體滲透多孔聚合物膜超低成本

拉瓦爾大學(xué)（法語(yǔ)：Université Laval)是繼美國(guó)哈佛大學(xué)（1632年)之后北美歷史最悠久的一所綜合大學(xué)，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(xué)研究院（le Séminaire de Québec），一個(gè)培訓(xùn)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(guó)人征服新法蘭西地區(qū)之后，魁北克神學(xué)研究院則把相應(yīng)的培訓(xùn)拓寬到了各類自由職業(yè)。加拿大拉瓦爾大學(xué)

拉瓦爾大學(xué)培養(yǎng)了不少加拿大和國(guó)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(zhǎng)，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(huì)上的其他領(lǐng)域（企業(yè)家，醫(yī)學(xué)家，科學(xué)家，經(jīng)濟(jì)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(xué)。

拉瓦爾大學(xué)最新科研學(xué)術(shù)，在過(guò)去的四年中，膜氣體分離行業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。這種增長(zhǎng)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?yàn)樗鼈冊(cè)趶V泛的條件（溫度）下更具延展性（不易碎），具體取決于最終應(yīng)用，例如氣體分離、空氣/水過(guò)濾和生物/生物醫(yī)學(xué)凈化

最近拉瓦爾大學(xué)的Denis Rodrigue教授團(tuán)隊(duì)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(guò)浸出形成多孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)連續(xù)擠出-壓延然后在80°C的20%乙酸水溶液中進(jìn)行CS浸出來(lái)生產(chǎn)膜。對(duì)所得膜進(jìn)行了完整的表征，包括形態(tài)和機(jī)械性能。工藝優(yōu)化后，通過(guò)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(yīng)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(yīng)用的良好起點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兂杀镜汀⒁子谏a(chǎn)并且可以進(jìn)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(jī)以獲得均勻的LDPE/CS混合物。然后進(jìn)行造粒并在50°C的烘箱中干燥24小時(shí)?？紤]到加工方法（連續(xù)與非連續(xù)），一些樣品也是通過(guò)壓縮成型生產(chǎn)的

對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)的形成，每個(gè)膜通過(guò)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(shí)間固定為48小時(shí)。為了確認(rèn)乙酸對(duì)顆粒浸出的影響，還將純LDPE膜（0wt.% CS）浸入酸溶液中，在測(cè)試條件下沒(méi)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(guò)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(wú)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?，該膜具有微孔結(jié)構(gòu)。仍有未提取的CS顆粒，證實(shí)未達(dá)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(méi)有完全提取，因?yàn)樗鼈儽换|(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(méi)有觀察到膜結(jié)晶度的顯著增加（Xc = 17%），表明CS沒(méi)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(guò)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(diǎn)。

拉瓦爾大學(xué)最新科研學(xué)術(shù):氣體滲透多孔聚合物膜超低成本

/ LDPE膜的機(jī)械性能 /

呈現(xiàn)的應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)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?yàn)樗鼈兙哂胁煌挠H水/疏水特性（玉米淀粉與LDPE）。此外，添加CS后較低的LDPE拉伸強(qiáng)度再次表明組分之間的界面相互作用較弱，導(dǎo)致其界面出現(xiàn)機(jī)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(jī)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(yīng)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?yàn)榛|(zhì)是致密的，并且具有一些充當(dāng)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(guò)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(luò)的組合，導(dǎo)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(dǎo)致更高的值，但選擇性是分離應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)Robeson上限進(jìn)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(lái)工作的重點(diǎn)。加拿大醫(yī)博類大學(xué)

/ 總結(jié) /

在這項(xiàng)工作中，提出了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)生產(chǎn)不含化學(xué)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(guò)程是一個(gè)連續(xù)的擠壓-壓延混合/成型步驟，再加上一個(gè)浸漬浸出步驟，以形成多孔結(jié)構(gòu)。后者可以通過(guò)仔細(xì)選擇粒度和濃度來(lái)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(yàn)證。優(yōu)化后，選擇稀乙酸水溶液（20%）去除CS的效率高（超過(guò)91%。總體而言，所提出的方法簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗诘统杀静牧喜⑶铱梢赃B續(xù)運(yùn)行。DSC還表明，CS顆?？梢蕴岣週DPE的結(jié)晶度，導(dǎo)致氣體分子的路徑更加曲折。最后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量CO2、CH4、O2和N2的滲透結(jié)果。憑借這些特性，預(yù)計(jì)這些膜可以實(shí)現(xiàn)合理的分離性能，至少在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的應(yīng)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(dú)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(guò)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(lái)的研究中進(jìn)行調(diào)查。

長(zhǎng)期以來(lái)，拉瓦爾大學(xué)為魁北克省、加拿大及整個(gè)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(yǔ)世界。上個(gè)世紀(jì)60年代，在魁北克的寧?kù)o革命時(shí)期，許多先進(jìn)思想的醞釀來(lái)自拉瓦爾大學(xué)的社會(huì)科學(xué)院的學(xué)者和學(xué)生，拉瓦爾大學(xué)為魁北克社會(huì)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(jī)構(gòu)的魁北克大學(xué)的多數(shù)骨干教師和教授主要來(lái)自拉瓦爾大學(xué)，拉瓦爾大學(xué)普遍被認(rèn)為是北美地區(qū)高等教育尤其是法語(yǔ)教育體系的一個(gè)領(lǐng)先標(biāo)準(zhǔn)，也被認(rèn)為是法語(yǔ)以及法國(guó)文化在北美洲保存的一個(gè)杰出代表。

在當(dāng)下很多大學(xué)都熱衷于追求在世界大學(xué)排名上的更高名次的活動(dòng)中，許多有識(shí)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(xué)的教學(xué)質(zhì)量有關(guān)。“桃李不言，下自成蹊”， 拉瓦爾大學(xué)無(wú)視排名的低調(diào)應(yīng)該是許多浮躁的院校學(xué)習(xí)的榜樣。