高分子富氧膜材料的应用与发展

材杆导报1994.M5高分子富氧膜材料的应用与发展APPlieationandDeveloPmentofPolymerOxygen一enriehingMembraneMaterials周宗华(四川大学.成都610064)摘要本文介绍了高分子富氧膜材料的富氧原理、影响其性能的因素及多种高分子富戴膜材料。并着重评述了这些材料在各领域的应用和研究、开发前景。关键词高分子富氧膜人工肺AbstraetThe。xygen一enrsehsngprineiple,faeto:5affeetingtheperformanee。fthePolymeroxygen一enriehingmembranematerials,as认·ellasrhevariousones,werereeom-mendedinthisPaPer.TheiraPPlieationsinthevariousfields,researehanddeveloPmentalPrOSPectwereemPhatieallyreviewed.Keyworkspo一ymer,oxygen一enrsehsn‘membrane,artsfiejal一ung高分子富氧膜是指用高分子材料制成的一种特殊分离功能膜。利用它可以富集空气中的氧气,得到含氧量30~40%,甚至更高的富氧空气。通常空气中含氧量大约为21%,这是人类赖以生存和维持一切燃烧过程的基础。但是若把富氧空气用于燃烧体系,则可大大减少废气的排放、提高火焰温度、增大燃料的放热量,将大大地节省能源。富氧空气还可以用于危急病人的抢救、呼吸道患疾的治疗、心脏手术时体外人工肺的洪氧等临床医疗、化学工业、食品发酵、生物工程和污水处理等多种领域。富氧空气的广泛应用,对社会经济和技术的发展有着重大意义。空气中氧的分离或富集有很多方法,如很早就开始用的“空气深冷分馏法”,但是此法能耗高、设备体积庞大,加上其它原因限制了该法的应用。为了降低富氧空气的制造成本,少、们积极研究了其它方法.主要有用金属氧化物、沸石、分子筛等作为材料的变压吸附法。此法需在高温下解吸或要在较高的压力下吸附,虽比”深冷分馏法”要省能一些,但仍下理想。后来发展起来的膜分离法,是用各种高分子材料炸成特殊功能分离膜,用它来分离空气中的氧,进行氧气富集化。膜分离法具有工艺流程短、设备简单、操作容易、能耗低等优点,并且在膜材料研究和技术的开发方面还有很大潜力,因此人们寄希望于膜分离法为最有希望的富氧空气制造方法。除高分子膜外还在研究金属合金膜,但从现在的实际应用和高分子膜材料的繁多种类来看,今后真正应用的、最有前途的富氧膜材料还是高分子材料。在当今研究的功能高分子材料中,有关高分子富氧膜材料的研究,仍是一个非常引少、注目的热门课题。本文就目前世界_L高分子富氧哎材料的应用、开发和研究情况作一介绍。1高分子膜的富氧原理及其影响因素常甲的高分子富氧膜是一种致密的均质膜,氧气通过均质膜迁移,其机理是在膜一侧浴解一膜中迁移一从膜另一侧解溶下来的溶解扩散机理。氧和氮在不同的膜中有不同的溶解和迁移速度,这是氧气富集的基础。膜材料的富氧特性常用透气系数P和分离系数。t994,MS材料导报来描述。如P。,和P‘,分别表示氧和氮的透气系数;分离系数则表示膜的氧、氮透气系数比,即a=poZ/pN,,P的单位是amol/m·S·Pa,在习惯单位制中为ml(sTP)·cm,/cmZ·‘“·cmHg。均质膜的基材常用各种高分子材料,虽然在形成的膜中不象多孔膜那样有开口的孔,但是形成膜的高分子链是随着温度变化不停地运动着,这样链间或链段间的间隙就变成“微孔”,气体分子就通过“微孔”透过去了。因而气体分子的透过会因高分子材料的化学结构、高分子链运动和高分子链的聚集状态的不同而异。所以各种高分子材料对氧、氮的透过系数是各不相同的,它们的分离系数也各不相同,如下表所示。各种高分子材料的透过系数和分离系数高分子膜材料名称u一}〕o,/P、2小乙基纤维萦氟化乙烯丙烯共聚物天然橡胶聚酞胺聚丁二烯聚碳酸醋聚对笨二甲酸二乙醇醋聚丙烯聚氟乙烯聚偏抓乙烯偏氟乙烯六氟丙烯共聚物硅橡胶2.7沐10一8.4X10一,5.9沐10一,2.2X10一2.3X10一旧3.8入10一11.gXIO一2.0入10一98.4洲10一1.5X10一”6.5只10一,3.0入10一’。3.0入10一,I5.0沐10一]2薄膜机械强度好,要求薄膜能够组成单元组件。影响富氧膜材料的透过系数和分离系数的因素很多,也很复杂,除构成高分子主链的结构单元外,侧链取代基的影响也至关重要,当然高分子的链运动和它的聚集态的影响是主要的,主要表现在以下几方面:(l)链间的相互作用大、氢键强的高分子,如聚酞胺、聚醋等,其聚集态的致密性高,这些高分子材料的透过系数PO:一般都很小。(2