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系統識別號 U0002-1601201115332100
中文論文名稱 凝膠相轉換製備PVDF薄膜及薄膜蒸餾應用
英文論文名稱 Preparation and characterization of PVDF membranes by phase inversion with gelled dopes and application to membrane distillation
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 高國翔
研究生英文姓名 kuo-Hsiang Kao
電子信箱 697401155@s97.tku.edu.tw
學號 697401155
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-01-11
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授-林達鎔
委員-鄭廖平
委員-邱文英
委員-楊台鴻
委員-董崇民
中文關鍵字 濕式成膜  高分子凝膠  薄膜蒸餾  PVDF 
英文關鍵字 PVDF  wet method  membrane distillation  physical gel 
學科別分類
中文摘要 本研究主要探討聚偏二氟乙烯(PVDF)/二甲基乙醯胺(DMAc)/異丙醇(IPA)三成份所組成的凝膠態製膜液,以相轉換法中的恆溫浸漬沉澱法來製備薄膜。除了探討凝膠態製膜液本身的特性之外,也依傳統濕式製膜程序,改變各項製程變數,以瞭解各個變因對於薄膜成形的影響。藉由流變儀、SEM、DSC、XRD、接觸角、拉力測試等來作膜材物性分析。從XRD的檢測顯示凝膠過程中確實有結晶的產生。製膜液完全凝膠的狀態下,SEM結果顯示,其後續步驟成形的薄膜,其內部結構就不會有太大的變化。例如改變沉澱槽溫度或成份對整體內部薄結構沒有太大的影響。然而,改變沉澱槽溫度或成份時,卻對於薄膜表面形態結構有明顯影響。根據DSC檢測的第一次掃描結果,得知薄膜結晶度約為30%,與XRD結果大致上相符合。
其次,利用上述所製備的多孔性薄膜,將其應用於海水淡化的薄膜蒸餾程序。藉著薄膜的高疏水性,水只能以蒸氣的狀態才能通過薄膜,進而達到純化水的目的。藉由改變不同表面形態的薄膜,探討對純水和氯化鈉水溶液蒸餾滲透通量的影響。從最後的結果中我們得知:(1)表面孔洞所佔面積越多,其滲透通量越大;(2)薄膜表面流體流速越大,其滲透通量也越大。
英文摘要 The first part of the present research focused on the investigations of the dopes in gel state consisting of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) / N,N-Dimethylacetamide (DMAc) / Isopropanol (IPA), and the membrane formation following the gel state by using the traditional immersion-precipitation method, where DMAc and IPA were used as the solvent and nonsolvent, respectively. The characterization of gels and membranes were done with Rheometry, SEM, DSC, XRD, Universal Testing Machine, and contact angle measurement to study the effect of processing parameters.
The second part concerned the application of the aforementioned porous membranes to membrane distillation for desalination of sea water. The membrane distillation is a process where only the water vapor permeates through the membrane. By varying the surface morphology of membranes and other parameters of operation, the permeate flux from sodium chloride solution was investigated. The results are:
The greater flux can be obtained with increasing surface pore area as well as superficial velocity of fluid.
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 II
圖目錄 V
表目錄 VIII
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 3
第二章 基礎理論 5
2-1 高分子薄膜 5
2-1-1 薄膜之定義 5
2-1-2 薄膜製備方法 5
2-1-3 成膜理論 7
2-1-4 薄膜結構與性質 11
2-2 高分子凝膠 18
2-2-1 凝膠的定義與分類 18
2-2-2 高分子物理凝膠的特徵 19
2-2-3 凝膠相變化 21
第三章 實驗流程與分析步驟 26
3-1 實驗藥品與溶劑 26
3-2 分析儀器 29
3-3 實驗流程 32
第四章 結果與討論 34
4-1 凝膠狀態性質與分析 34
4-1-1 凝膠相圖之建立 34
4-1-2 製膜液凝膠時間觀察 37
4-1-3 凝膠狀態的結晶行為 38
4-1-4 凝膠狀態時的流變行為 40
4-2靜置時間對薄膜性質之影響 46
4-3沉澱槽溫度對薄膜性質之影響 63
4-4沉澱槽成份對薄膜性質之影響 74
4-5結論 82
第五章 薄膜蒸餾 83
5-1基礎理論 83
5-2實驗流程與分析步驟 90
5-2-1 分析儀器 90
5-2-2 薄膜蒸餾裝置 91
5-2-3 實驗流程 91
5-3 結果與討論 93
5-3-1 不同凝膠狀態下製備薄膜 93
5-3-2 薄膜形態對MD之影響 98
5-4 結論 101
參考文獻 102
圖目錄
圖 2-1 高分子/溶劑/非溶劑恆溫下的相行為,包含了均相區域(I),二相區域(II),膠化區域(III) 9
圖 2-2 薄膜與沉澱槽介面的質傳現象; J 1:沉澱槽的通量, J 2:溶劑的通量 10
圖 2-3 J 2 / J 1不同比值相對應不同成膜路徑 10
圖 2-4 常見之結晶型高分子相圖 11
圖 2-5 代表各結晶階段之薄膜結構:(a)條狀晶粒, (b)束狀晶粒, (c)啞鈴狀晶粒, (d)球狀晶粒 13
圖 2-6 胞孔晶粒共存之薄膜結構:(a) 低成核度;(b) 高成核度 14
圖 2-7 胞孔結構 16
圖 2-8 顆粒狀結構 16
圖 2-9 胞孔與顆粒型共存結構 16
圖 2-10 淚滴狀巨孔結構 17
圖 2-11 手指狀巨孔結構 17
圖 2-12 雙連續形態結構 17
圖 2-13 兩種相分離的濃度剖面示意圖 22
圖 2-15 不同分子鏈內聚集方式的示意圖 23
圖 2-16 凝膠化機制示意圖 24
圖 2-17 SEM 觀察凝膠微觀結構 24
圖 2-18 Nucleation gel 形成階段示意圖 25
圖 3-1 拉力標準試片示意圖 30
圖 3-2 實驗裝置圖 33
圖 3-3 實驗流程圖 33
圖 4-1 PVDF-DMAc-IPA 三成份凝膠相圖 35
圖 4-2 製膜液不同狀態之外觀圖:(a) 溶液態;(b) 凝膠態 35
圖 4-3 凝膠製膜液組成比例位置(相圖中A點) 36
圖 4-4 溶解後的製膜液,在不同靜置時間下的XRD分析圖譜(1~12小時) 39
圖 4-5 溶解後的製膜液,在不同靜置時間下的XRD分析圖譜(0~5小時) 40
圖 4-6 I-50(相圖中A點)靜置3小時後其G' 值與G" 值隨著頻率之變化 42
圖 4-7 I-50(相圖中A點)不同靜置時間後其G' 值隨著頻率之變化 42
圖 4-8 I-50(相圖中A點)不同靜置時間後其黏度隨著頻率之變化 43
圖 4-9 添加不同IPA比例其G' 值隨著頻率之變化 43
圖 4-10 I-50(相圖中A點)其G' 值與G" 值隨著溫度之變化 44
圖 4-11 I-50(相圖中A點)其G' 值與G" 值隨著時間之變化 44
圖 4-12 鑄膜後未經靜置凝膠直接成膜之SEM圖:(a)、(b) 上表面,5KX 、20KX;(c)、(d) 下表面,5KX、20KX;(e)、(f) 截斷面,2KX、50KX 48
圖 4-13 鑄膜後靜置時間0.5小時之SEM圖:(a)、(b) 上表面,5KX 、20KX;(c)、(d) 下表面,5KX、20KX;(e)、(f) 截斷面,1KX、50KX 49
圖 4-14 鑄膜後靜置時間1小時之SEM圖:(a)、(b) 上表面,5KX、20KX;(c)、(d) 下表面,5KX、20KX;(e)、(f) 截斷面,1KX、50KX 50
圖 4-15 鑄膜後靜置時間1.5小時之SEM圖:(a)、(b) 上表面,5KX、20KX;(c)、(d) 下表面,5KX、20KX;(e)、(f) 截斷面,1KX、50KX 51
圖 4-16 PVDF-HFP共聚合物利用軟體分析之WXRD圖譜 54
圖 4-18 PVDF多孔膜以模擬軟體核對真實繞射峰圖 56
圖 4-21 不同靜置時間薄膜最大拉伸應力數據圖 61
圖 4-22 不同靜置時間薄膜平均斷裂應變數據圖 62
圖 4-23 沉澱槽溫度10°C成膜之SEM圖:(a)、(b) 上表面,20KX、50KX;(c)、(d) 下表面,20KX、50KX;(e)、(f) 截斷面,1.5KX、50KX 65
圖 4-24 沉澱槽溫度30°C成膜:(a)、(b) 上表面,20KX、50KX;(c)、(d) 下表面,20KX、50KX;(e)、(f) 截斷面,1.5KX、50KX 66
圖 4-25 沉澱槽溫度50°C成膜:(a)、(b) 上表面,20KX、50KX;(c)、(d) 下表面,20KX、50KX;(e)、(f) 截斷面,1.5KX、50KX 67
圖 4-26 沉澱槽溫度70°C成膜:(a)、(b) 上表面,20KX、50KX;(c)、(d) 下表面,20KX、50KX;(e)、(f) 截斷面,1.5KX、50KX 68
圖 4-28 不同沈澱槽溫度薄膜熱分析-第一次升溫 71
圖 4-29 不同沈澱槽溫度薄膜熱分析-第二次升溫 72
圖 4-30 不同沉澱槽溫度薄膜最大拉伸應力數據圖 73
圖 4-31 不同沉澱槽溫度薄膜平均斷裂應變數據圖 73
圖 4-32 沉澱槽為異丙醇:(a)、(b) 上表面,20KX、50KX;(c)、(d) 下表面,20KX、50KX;(e)、(f) 截斷面,1.5KX、50KX 76
圖 4-33 沉澱槽為乙醇:(a)、(b) 上表面,20KX、50KX;(c)、(d) 下表面,20KX、50KX;(e)、(f) 截斷面,1.5KX、50KX 77
圖 4-34 不同沉澱槽成份薄膜的XRD圖譜 78
圖 4-35 不同沈澱槽成份薄膜DSC熱分析-第一次升溫 79
圖 4-36 不同沈澱槽成份薄膜DSC熱分析-第二次升溫 80
圖 4-37 不同沉澱槽成份薄膜最大拉伸應力數據圖 80
圖 4-38 不同沉澱槽成份薄膜平均斷裂應變數據圖 81
圖 5-1 薄膜蒸餾之質量傳送機制示意圖 84
圖 5-2 薄膜蒸餾模組之型式 86
圖 5-3 溫度極化示意圖 88
圖 5-4 濃度極化示意圖 88
圖 5-4 直接接觸式薄膜蒸餾實驗裝置簡圖 92
圖 5-5 直接接觸式薄膜蒸餾設備分解圖 92
圖 5-6 鑄膜後未經凝膠直接成膜之SEM圖(P-0):(a)上表面20KX;(b)下表面20KX;(c)截面20KX 95
圖 5-7 鑄膜後靜置時間0.5小時(P-0.5)之SEM圖:(a)上表面20KX;(b)下表面20KX;(c)截面20KX 96
圖 5-8 鑄膜後靜置時間3小時(P-3)之SEM圖:(a)上表面20KX;(b)下表面20KX;(c)截面20KX 97
圖 5-9 市售PTFE商用膜:(a)上表面20KX;(b)下表面20KX;(c)截面20KX 100
表目錄
表4-1 (a) 不同熱處理溫度,其製膜液流動所需時間 37
表4-1 (b) 不同熱處理溫度,其製膜液凝膠所需時間 37
表4-2 不同IPA比例其成膠時間和解膠之溫度 45
表4-3 不同靜置時間製備薄膜之孔隙度比較 52
表4-4 PVDF結晶型態的晶面和對應的2θ位置 53
表4-5 以XRD計算結晶度結果 55
表4-6 PVDF-HFP不同靜置時間薄膜之熱性質和結晶度 58
表4-7 不同靜置時間薄膜的拉伸測試結果 61
表4-8 改變沉澱槽溫度製備薄膜之孔隙度 69
表4-9 不同沉澱槽溫度薄膜之熱性質和結晶度 71
表4-10 不同沉澱槽溫度薄膜的拉伸測試結果 72
表4-11 改變沉澱槽成份製備薄膜之孔隙度比較 78
表4-12 改變沉澱槽成份薄膜之熱性質和結晶度 79
表5-1 PVDF-HFP 薄膜製備條件和性質 93
表5-2 純水通量,LMH (L/m2hr) 98
表5-3 3.5%氯化鈉水溶液通量,LMH (L/m2hr) 99







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論文使用權限
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