Мембранное материаловедение

1. Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН

2. 2. Полимеры как мембранные материалы.

3. Определение

• Полимеры – высокомолекулярные
соединения, построенные из большого
числа повторяющихся, элементарных,
или мономерных звеньев

4. Радикальная полимеризация этилена

X
X
CH2 CH2
CH2 CH2
мономер
X
X
CH2 CH2 CH2 CH2
полимер
CH2 CH2 X
nCH2 CH2
X CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
n – степень полимеризации
-CH2- повторяющееся звено
-CH2-CH2- мономерное звено

5. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Органические
– Природные
• Простые (натуральный каучук, целлюлоза)
• Сложные (белки, нуклеиновые кислоты)
– Синтетические
• Карбоцепные (полиэтилен, полистирол)
• Гетероцепные (полиамиды, полиэфиры)
• Неорганические
– Элементоорганические (силоксаны,
полифосфазены)
– Неорганические (полифосфаты,
полисиликаты)

6. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Органические
– Природные
• Простые
(натуральный каучук, целлюлоза)
OH
CH3
CH2 C
CH2
CH
CH2
n
O
OH
OH
O
O
OH
OH
O
CH2
OH
n

7. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Органические
– Природные
• Сложные
(белки, нуклеиновые кислоты)
Аминокислоты
Нуклеотиды
20
5

8. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Органические
– Синтетические
• Карбоцепные
(полиэтилен, полистирол)
CH2 CH2
n
CH2 CH
Основная цепь
Боковые группы
n

9. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Органические
– Синтетические
• Гетероцепные
• (полиамиды, полиэфиры)
O
C
NH
найлон
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
n
лавсан
CH2
CH2
O
O
O
C
C
O
n

10. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Неорганические
– Элементоорганические
(силоксаны, полифосфазены)
R
R
Si
R
O
P
n
R
N
n

11. Классификация полимеров по природе мономерного звена

• Неорганические
– Неорганические
(полифосфаты, полисиликаты)
O
P
O
OH
O
n
Si
O
O
n

12. Синтетические полимеры. Методы получения.

• Радикальная полимеризация (цепной
статистический процесс)
• Ионная полимеризация
(стереорегулярный каталитический процесс)
• Поликонденсация (химические реакции
многофункциональных мономеров с
выделением низкомолекулярных продуктов)
• Полиприсоединение (химические
реакции многофункциональных мономеров
без выделения низкомолекулярных продуктов)

13. Зависимость состояния полимеров этилена от степени полимеризации

1
Молекулярная Состояние
масса
при 25оС
28
газ
6
170
жидкость
200
5600
750
21000
парафины
(олигомеры)
полимер
5000
140000
полимер
n (C2H4)

14. Молекулярно-массовое распределение

15. Сетка зацеплений

пленкообразующие свойства

16. Конфигурация синтетических полимеров

линейные
разветвленные
сшитые
сверхразветвленные
дендримеры

17. Нерегулярности цепи

CH2 CH
R
CH2 CH
CH2 CH
R
n
CH2 CH
R
R
R
CH2 CH
CH
CH2 CH2 CH
R
CH2 CH
R
R
CH2 CH
R
CH
R
CH2
голова
к хвосту
голова
к голове
смесь

18. Цис- транс- изомерия

19. Стереоизомерия

20. Кристалличность

кристаллиты

21. Конфигурация синтетических полимеров

Гомополимеры
Сополимеры
AAAAAAA ABABABAB Чередующиеся
AAABABBABAABBA Статистические
AAAAAAABBBBBBBB Блок-сополимеры
AAAAAAAAAAAA Привитые AAAAAAAAAAAA
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
Сшитые AAAAAAAAAAAA
B
B

22. Фазовый состав полимеров

• Однофазные (полностью аморфные,
статистические сополимеры,
совместимые смеси, изотропные
расплавы)
• Гетерофазные (частичнокристаллические, блочные, привитые,
жидкокристаллические, несовместимые
смеси, наполненные композиты)

23. Конформации линейной макромолекулы

глобула
статистический клубок
складчатая
стержень

24. Гибкость свободно-сочлененной цепи

Вращение участка цепи, ограниченное валентным углом α

25. Гибкость реальной цепи

Сегмент Куна

26. Статистический сегмент Куна

R
A fr lim
n
nl o
2
где <R2> - среднеквадратичное расстояние между
концами цепи полимера, усредненное по всем
возможным конформациям, величина nlo - контурная
длина цепи - параметр, не зависящий от ее
конформации, lo - контурная длина повторяющейся
структурной единицы (звена), n – степень
полимеризации

27. Сверхжесткие полимеры

n
полифенилен
O
O
N
N
N
N
n
полипирролон
O
O
N
N
n
O
O
полиимид
ДНК

28. Заторможенность вращения

Натуральный каучук
Термопласт
CH3
C
CH3
C
n
Si CH3
CH3
ПТМСП
Жесткий полимер
Afr: 40 звеньев

29. Межцепные взаимодействия

Тип связей
E,
кДж/моль
Ковалентные
400
Ионные
400
Энергия когезии
Водородные
40
Ecoh=ΔH0-RT
Дипольдипольные
20
Дисперсионные
2

30. Внутрицепные контакты

вулканизационные
конденсационные

31. Фазовое состояние полимеров

• Кристаллическое
• Жидкокристаллическое
• Аморфное
• Изотропный расплав
(раствор)

32. Фазовое состояние полимеров

• Кристаллическое

33. Кристаллиты

34. Ориентация кристаллитов при вытяжке и термообработке

полиэтилен
полиамид-6

35. Фазовое состояние полимеров

• Жидкокристаллическое

36. Жидкие кристаллы

нематик
смектик
холестерик
Гребнеобразные полимеры

37. Структура фаз гребнеообразных полимеров

Изотропный расплав
нематик
смектик

38. Холестерическая спираль

39. Фазовое состояние полимеров

• Аморфное

40.

Модели
аморфного
состояния
а - пачки
б - клубки
в - меандры
г - колл. клубки
д - миц. зерна
е - сл. фибриллы

41. Фазовое состояние полимеров

• Изотропный расплав
(раствор)

42. Релаксационные свойства полимеров

x(t)-x2=(x1-x2)exp(-t/τ)
τi=Biexp(Ei/kT)

43. Релаксационные состояния аморфных полимеров

• Стеклообразное (механически-
твердое, но структурно-жидкое)
• Высокоэластическое (структурножидкое с огромными обратимыми
деформациями)
• Вязкотекучее (механически и
структурно-жидкое с необратимыми
деформациями)

44. Вязкотекучее состояние

45. Вязкотекучее состояние

46. Вязкотекучее состояние

47. Вязкотекучее состояние

48. Вязкотекучее состояние

49. Высокоэластическое состояние

50. Высокоэластическое состояние

51. Высокоэластическое состояние

52. Высокоэластическое состояние

53. Высокоэластическое состояние

54. Стеклообразное состояние

55. Стеклообразное состояние

56. Стеклообразное состояние

57. Модуль упругости аморфного полимера

Стеклообразное
lgE
Высокоэластическое
Вязко-
текучее
Tg
Tm
T

58. Термомеханическая кривая аморфного полимера

ε
Деформация
Стеклообразное
Высокоэластическое
Вязкотекучее
Tg
Tm
T

59. Энергия активации сегментальной подвижности

60. Связь Тст с молекулярной массой

61. Связь Тст с жесткостью цепи

62. Свободный объем аморфного полимера

Стеклообразное
Высокоэластическое
vsp
полимер
vg
vf=vg+(α-αg)(T-Tg)
кристалл
v0
fg=0,025
0
Tg
T

63. T>Tg

T>Tg

64. T>Tg

T>Tg
Vf

65. T>Tg

T>Tg
Vf

66. T<Tg

T<Tg
Vf

67.

Теория
свободного объема
M.Cohen, T.Turnbull, 1959
D=A·exp(-B/vf)
А, B, T=const
vf=vsp-voc
=1/ρ
vf – свободный объем
Занятый
объем
кристалла
Расчетная величина

68. Полимерные материалы для для пористых мембран

• Механическая прочность
(стеклообразные, кристаллические,
сшитые)
• Термическая и химическая
стабильность
• Гидрофобность
• Дешевизна материала

69. Кристаллические гидрофобные

Полимер
Тефлон (ПТФЭ)
Поливинилиденфторид
(ПВДФ)
Изотактический
полипропилен (ПП)
Процесс
CF2 CF2
CF2 CH2
CH2 CH
CH3
МФ, МД
n
n
МФ, МД,
УФ
МФ, МД
n

70. Стеклообразные гидрофобные

Полимер
Полисульфон
(ПСФ)
Алифатический
полиамид
(ПА)
Полиэфиримид (ПЭИ)
Процесс
CH3
МФ, УФ
O
C
O
S
CH3
O
n
O
МФ, УФ
O
C
NH
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
n
O
O
N
C
O
N
CH3
O
МФ, УФ
O
CH3
n
O

71. Полимеры для трековых мембран

Полимер
Поликарбонат
(ПК)
Полиэтилентерефталат
(ПЭТФ)
CH2
Процесс
CH2
O
O
O
C
C
O
n
CH3
C
CH3
МФ, УФ,
Д
O
O
C
МФ, УФ,
Д
O
n

72. Сополимеры и сетки

Сополимеры полиакрилонитрила
Сшитые полисилоксаны (лестосил)
Ароматические полиамиды
Полиуретановые эфиры
ОО
УФ

73. Гидрофильные полимеры

Эфиры целлюлозы
O
МФ
CH3
C
O
O
CH3
CH3
O
O
O
O
O
C
O
C
O
УФ
C
CH2
O
CH3
O
O
CH2
C
O
CH3
ОО
O
n
Д
C
O
CH3
Сополимеры этилена с виниловым спиртом
Д

74. Материалы для электродиализа

Катионообменные и
анионообменные
сшитые сополимеры
Нафион

75. Полимерные материалы для для непористых мембран

Пленкообразующие свойства
Термомеханическая стабильность
Устойчивость к разделяемым средам
Проницаемость !
Селективность !
Стеклообразные полимеры
Сшитые эластомеры