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系統識別號 U0002-2911201123093300
中文論文名稱 製備PVDF多孔性高分子疏水膜其物性與結構分析及應用在薄膜蒸餾上
英文論文名稱 Preparation and characterization of porous poly(vinylidene fluoride) membranes and their application in membrane distillation process
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 100
學期 1
出版年 101
研究生中文姓名 鄭立婷
研究生英文姓名 Li-Ting Cheng
學號 698401147
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-11-25
論文頁數 125頁
口試委員 指導教授-賴偉淇
委員-鄭廖平
委員-童世煌
中文關鍵字 聚偏二氟乙烯  奈米纖維  二甲基二苯亞山梨醇  薄膜蒸餾 
英文關鍵字 poly(vinylidene fluoride)  nanofibrils  DMDBS  membrane distillation 
學科別分類
中文摘要 本研究分為二部分,首先利用蒸氣誘導相轉換法(VIPS)並改變曝露時間及溶解溫度製備聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜,探討薄膜形成的結構、孔隙度、熱性質、結晶型態以及滲透性質;接著將二甲基二苯亞山梨醇(DMDBS)添加入PVDF中,同樣利用VIPS並以條件曝露時間為10min製備薄膜以及將含有DMDBS的薄膜浸泡乙醇七天以去除DMDBS的PVDF薄膜,一同探討薄膜結構、孔隙度、熱性質、結晶型態、滲透性質以及機械性質並應用於薄膜蒸餾。
利用VIPS製備薄膜,可觀察到隨著曝露時間增長,其薄膜結構由手指狀結構漸轉變為胞孔與顆粒共存結構,上下孔洞互相聯通;孔隙度與結晶度皆增加;其結晶型態從α+γ結晶型態轉變為γ結晶型態;滲透性隨之愈佳。在固定曝露時間為10min之下製備薄膜,隨著溶解溫度愈低,其薄膜結構由胞孔與顆粒共存結構轉變為顆粒結構;結晶度增加;其孔隙度與結晶型態並不大受溶解溫度影響;滲透性亦隨之愈佳。
添加入DMDBS的PVDF薄膜,由實驗觀察發現隨著DMDBS含量增加,薄膜上下表面的DMDBS自組裝奈米帶(nanoribbons)覆蓋愈多,整體結構依然為胞孔與顆粒共存結構;孔隙度小幅度增加;結晶度降低;PVDF的γ結晶型態隨著之而減弱並產生DMDBS分子間氫鍵之特徵吸收峰,但不會影響PVDF薄膜的結晶型態;其滲透性反而愈不佳。當浸泡乙醇七天後的薄膜與浸泡前薄膜相比較之下,其整體結構並不影響,上下表面的DMDBS纖維幾乎已被去除;孔隙度與結晶度些微增加;而DMDBS分子間的氫鍵特徵吸收峰消失,亦不影響PVDF的γ結晶型態;其滲透性較未去除DMDBS纖維前佳。對於機械性質而言,隨著DMDBS含量增加而提昇其應力、應變以及彈性模數,使得應用於薄膜蒸餾時能以冷熱水流速為0.75L/min下,獲得滲透通量為4.81 L/m2h。
英文摘要 We study the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes of structure, porositys, thermal properties, crystal types, permeabilitys by different exposure time and different dissolution temperature. Then we study the polymer of structure, porositys, thermal properties, crystal types, permeabilitys, mechanical properties and their application in membrane distillation process by add 1,3:2,4-di(3,4-dimethylbenzylidene)sorbitol (DMDBS) to different concentration and immerse ethanol.
By SEM anysis, we found the like-finger structure, cellular structure and pariculate structure. When the exposure time rises, it turns into the pariculate structure. When the DMDBS concentration rises, it forms more the self-assembly nanoribbons of DMDBS on the top sureface and bottom sureface. By porosity anysis, we found the porositys incearse when the exposure time and the DMDBS concentration rise. When the exposure time rises and dissolution temperature reduces, the crystallinity of PVDF increases. When the DMDBS concentration rises, the crystallinity of PVDF doesn’t affect. By XRD and FTIR-ATR anysis, we can find that the when the exposure time rises, the α-type and γ-type of PVDF turns into the γ-type only. When the exposure time rises and dissolution temperature reduces, the permeabilitys increase. When the DMDBS concentration rises, the permeability decreases. By mechanical properties anysis, we found the elastic modulus increases with the increase of DMDBS concentration.And the experimental results in membrane distillation process show that the flux of 8wt%DMDBS/PVDF increases with the increase of feed volume flow rate.
論文目次 總目錄
中文摘要
Abstract
目錄
圖目錄
表目錄
目錄
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 3
第二章 基礎理論 4
2-1 高分子薄膜 4
2-1.1 薄膜之定義 4
2-1.2 薄膜的製備方法 6
2-1.3 薄膜結構與性質 8
2-1.4 成膜理論-熱力學 14
2-1.5 成膜理論-質傳動力學 16
2-2 DBS簡介 18
2-4 薄膜蒸餾 20
第三章 文獻回顧 24
3-1 聚偏二氟乙烯(PVDF) 24
3-2 薄膜的製備 26
3-3 PVDF應用於薄膜蒸餾 30
3-4 添加劑 32
3-5 添加劑二苯甲基山梨醇(DBS) 34
第四章 實驗 35
4-1 實驗藥品 35
4-2 實驗設備 37
4-3 實驗流程 39
4-3.1 高分子溶液配製 39
4-3.2 薄膜的製備 40
4-3.3 薄膜結構與物性分析 43
4-4 研究流程圖 45
4-4.1 蒸氣誘導相轉換法之研究流程圖 45
4-4.2 加入添加劑DMDBS之流程圖 46
第五章 結果與討論 47
5-1 製備PVDF多孔性高分子疏水膜其結構與物性分析 47
5-1.1 薄膜SEM結構分析 47
5-1.2 薄膜孔隙度之量測 63
5-1.3 微分掃描熱卡儀(DSC) 65
5-1.4 廣角X光繞射儀(WAXD) 69
5-1.5 傅立葉紅外線光譜(FTIR) 74
5-1.6 滲透性檢測 77
5-2 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜其結構與物性分析 79
5-2.1 薄膜SEM結構分析 79
5-2.2 薄膜孔隙度之量測 96
5-2.3 DSC之量測 98
5-3.4 XRD之量測 102
5-2.5 FTIR之量測 104
5-2.6 滲透性檢測 108
5-2.7 抗張強度量測 110
5-2.8 薄膜蒸餾之應用 113
第六章 結論 115
第七章 參考文獻 118
第八章 附錄 124

圖目錄
圖2-1 不同類型薄膜橫截面示意圖 5
圖2-2 液-液相分離行為發展之四個階段 9
圖2-3 胞孔結構 10
圖2-4 各結晶階段之薄膜結構 11
圖2-5 胞孔晶粒共存之薄膜結構 12
圖2-6 手指型結構 13
圖2-7 典型高分子(非結晶型)-溶劑-非溶劑成膜系統之相圖 15
圖2-8 成膜過程中溶劑與非溶劑交換示意圖 17
圖2-9 高分子-溶劑-非溶劑成膜系統之相圖 17
圖2-10 DBS結構式 18
圖2-11 DBS奈米纖維SEM圖 18
圖2-12 DBS衍生物結構式 19
圖2-13 薄膜蒸餾示意圖 20
圖2-14 空氣間隙薄膜蒸餾示意圖 22
圖2-15 薄膜蒸餾裝置 23
圖3-1 四種不同的結晶型態α、β、γ與δ 25
圖3-2 四種不同的結晶型態α、β、γ與δ 25
圖3-3 VIPS質傳之過程 29
圖4-1 蒸氣誘導相分離轉換法之製備流程圖 41
圖4-2 加入添加劑DMDBS之製備流程圖 42
圖4-3 蒸氣誘導像轉換法之研究流程圖 45
圖4-4 加入添加劑DMDBS之研究流程圖 46
圖5-1 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 49
圖5-2 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 50
圖5-3 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 51
圖5-4 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之SEM下表面圖 52
圖5-5 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之SEM下表面圖 53
圖5-6 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之SEM截面圖 55
圖5-7 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 56
圖5-8 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之SEM下表面圖 57
圖5-9 不同溶解溫度(曝露時間為10min)製備PVDF薄膜之SEM截面圖 60
圖5-10 不同溶解溫度(曝露時間為10min)製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 61
圖5-11 不同溶解溫度(曝露時間為10min)製備PVDF薄膜之SEM下表面圖 62
圖5-12 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之DSC圖 66
圖5-13 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之DSC圖 67
圖5-14 不同溶解溫度(曝露時間為10分鐘)製備PVDF薄膜之DSC圖 68
圖5-15 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之XRD圖 71
圖5-16 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之XRD圖 71
圖5-17 不同溶解溫度(曝露時間為10min)製備PVDF薄膜之XRD圖 72
圖5-18 PVDF與DMAc的偶極矩分子間相互作用示意圖 73
圖5-19 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 75
圖5-20 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 75
圖5-21 不同溶解溫度(曝露時間為10min)製備PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 76
圖5-22 高濃度DBS之SEM圖 79
圖5-23 DMDBS溶解於DMAc之SEM圖 80
圖5-24 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之SEM截面圖 83
圖5-25 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之SEM截面(上層)圖 84
圖5-26 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之SEM截面(下層)圖 85
圖5-27 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之SEM截面(中層)圖 86
圖5-28 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 87
圖5-29 添加DMDBS不同的含量製備PVDF薄膜之SEM上表面圖 88
圖5-30 添加DMDBS不同的含量製備PVDF薄膜之SEM下表面圖 89
圖5-31 添加DMDBS不同的含量製備PVDF薄膜之SEM下表面圖 90
圖5-32 去除DMDBS後的PVDF薄膜之SEM截面圖 91
圖5-33 去除DMDBS後的PVDF薄膜之SEM上表面圖 92
圖5-34 去除DMDBS後的PVDF薄膜之SEM上表面圖 93
圖5-35 去除DMDBS後的PVDF薄膜之SEM下表面圖 94
圖5-36 去除DMDBS後的PVDF薄膜之SEM下表面圖 95
圖5-37 純DMDBS之DSC圖 99
圖5-38 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之DSC圖 100
圖5-39 去除DMDBS後的PVDF薄膜之DSC圖 101
圖5-40 添加DMDBS不同的含量製備PVDF薄膜之XRD圖 103
圖5-41 去除DMDBS後的PVDF薄膜之XRD圖 103
圖5-42 DMDBS/DMAc之FTIR-ATR圖 105
圖5-43 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 106
圖5-44 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 106
圖5-45 去除DMDBS後的PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 107
圖5-46 去除DMDBS後的PVDF薄膜之FTIR-ATR圖 107
圖5-46 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之最大拉伸應力圖 111
圖5-47 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之平均斷裂應變圖 112
圖5-48 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之彈性模數圖 112
圖8-1 利用乾式法製備8wt%DMDBS/PVDF薄膜之SEM上下表面圖 124
圖8-2 乾式法與VIPS法製薄膜之FTIR-ATR比較圖 124
圖8-3 乾式法與VIPS法製薄膜之FTIR-ATR比較圖 125

表目錄
表1-1 數種典型之薄膜程序與其驅動力 2
表1-2 三種薄膜程序其薄膜孔徑與驅動力 2
表5-1 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之孔隙度 64
表5-2 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之孔隙度 64
表5-3 不同溶解溫度(曝露時間為10min)製備PVDF薄膜之孔隙度 64
表5-4 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之結晶度 66
表5-5 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之結晶度 67
表5-6 不同溶解溫度(曝露時間為10分鐘)製備PVDF薄膜之結晶度 68
表5-7 PVDF的結晶型態 69
表5-8 不同曝露時間(溶解溫度為80oC)製備PVDF薄膜之滲透性 78
表5-9 不同曝露時間(溶解溫度為30oC)製備PVDF薄膜之滲透性 78
表5-10 不同溶解溫度(曝露時間為10分鐘)製備PVDF薄膜之滲透性 78
表5-11 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之孔隙度 97
表5-12 去除DMDBS後的PVDF薄膜之孔隙度 97
表5-13 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之結晶度 99
表5-14 去除DMDBS後的PVDF薄膜之結晶度 101
表5-15 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之滲透性 109
表5-16 去除DMDBS後的PVDF薄膜之滲透性 109
表5-17 添加DMDBS不同的含量所製備PVDF薄膜之拉伸測試 111
表5-18 薄膜在各條件下之純水滲透通量 114
參考文獻 第七章 參考文獻
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