第二章膜材料及表面改性

学渣根据老师讲的重点整理出来的，希望对大家有用考试题型填空20分共10题简答20分共4题设计20题共2题（其中一题双极膜3室制备酸碱，图、原理，另外一题净水器5级结构百度上有）计算40分共3题第一章1.分离技术的定义分离技术是指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。

2.分离技术的作用于意义（1）分离技术在过程工程中的意义：分离工程通常贯穿在整个生产工艺过程中，包括从原料、产物和副产物中脱除杂质；循环物料的分离；从废物中脱除污染物，是获得最终产品必不可少的一个重要环节，也是化学家和化学工程师必须具备的基本知识。

（2）在日常生活中的作用：饮用水、自来水大多都通过对来自江河湖海的水处理后获得的；每天食用的果汁、生啤、白糖、食言等分别通过蒸发、膜虑、结晶、电渗析等方法制得；每天开车所用的汽油、煤油等都是通过对原油加氢反应除去硫磺并经分馏制得的。

（3）在环境中的保护作用：家庭生活污水所含成分十分复杂，直接排放将会严重污染环境，需通过富集、吸收、降解或转化等方式将有毒、有害污染物除去。

（4）在人类健康与保健中的作用：分离技术在医疗上做出杰出的贡献，人工肾、人工肺人工肝具有的功能都是利用膜的筛分作用通过透析、滤过方法净化血液、供氧和去除CO2使血液氧合，或通过置换等，达到调节人体平衡、维持生活、延长寿命的目的。

（5）在能源再生与新能源利用方面的作用。

3．分离剂的概念加到分离系统中使过程得以实现的能量或物质。

4.三大类新型分离技术第一类——对传统技术或方法加以改良的分离技术：超临界流体萃取、液膜萃取、双水相萃取以及色谱分离等；第二类——基于材料科学发展形成的分离技术：反渗透、超滤、气体渗透、渗透汽化等膜分离技术；第三类——膜与传统分离相结合形成的分离技术：膜吸收、膜萃取、亲和超滤、膜反应器等。

第二章计算题都在这一章1.第一种类型：混合熵（作业有做过）∆S mix＝－R n i lnx i摩尔混合熵的计算：∆S0mix =S mix /n(n为体系的总摩尔数)=－R x i lnxi（这只是PPT里的例题）分离理想气体或溶液的最小功（W min ）W min = T S∆mix• 摩尔最小功W o min =T∆S o mix -=RT∑x i ln x i2.第二种类型题：渗透压π=C R T (非电解质溶液) π是渗透压单位KPa C单位是mol/L(一定要换成mol/L)π=RT∑ C i(电解质溶液) C i为水中离子的浓度注意离子的下标当溶液的浓度增大时，溶液偏离理想程度增加，对电解质水溶液常需引入渗透压系数来校正偏离程度。

现代表面工程技术什么是表面工程？表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各类表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。

第一章表面技术概论表面技术是直接与各类表面现象或者过程有关的，能为人类造福或者被人们利用的技术----宽广的技术领域。

一、使用表面技术的目的1、提高材料抵御环境作用能力。

2、给予材料表面功能特性。

3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件与元器件。

途径：表面涂覆：各类涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。

表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。

二、表面技术的分类1、按作用原理(1)原子沉积电镀、化学镀、物理、化学气相沉积(2)颗粒沉积热喷涂、搪瓷涂敷(3)整体覆盖包箔、贴片(4)表面改性2、按使用方法(1)电化学法电镀、电化学氧化（阳极氧化）(2)化学法化学转化膜、化学镀(3)真空法物理、化学气相沉积、离子注入(4)热加工法热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊(5)其它方法涂装、机械镀、激光表面处理三、表面技术的应用1、广泛性与重要性(1)广泛性➢内容广➢基材广➢种类多遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大(2)重要性•改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤•提高产品长期运行可靠性、稳固性•满足特殊要求（必不可少或者唯一途径）•生产各类新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究与生产的基础）2、在结构材料及构件与零部件上的应用表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰3、在功能材料与元器件上的应用制造装备中具特殊功能的核心部件。

表面技术可制备或者改进一系列功能材料及元器件物理特性：•光学反射镜材料，防眩零件•热学散热材料，耐热涂层，吸热材料•电学表面导电玻璃，绝缘涂层•磁学磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料化学特性：分离膜材料4、在人类习惯、保护与优化环境方面的应用(1)净化大气原料、燃料→CO2、NO2、SO2措施：回收、分解方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭）(2)净化水质制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化(3)抗菌灭菌TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解•当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被汲取与产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。

材料表面改性技术简介作为材料科学领域的一项重要技术手段，表面改性技术旨在通过改变材料表面的组成、结构和性能，从而使其能够满足特定的应用需求。

材料表面改性技术可以广泛应用于电子、光电、生物、医药、环保等领域，例如：防腐、耐磨、抗氧化、润滑、防晒等，同时也可以改善材料的光学、电学、磁学、热学等性能。

本文将从表面改性技术的基础原理、应用范围及实现方法进行阐述。

表面改性技术的基础原理材料的表面改性是一种通过改变材料表面的化学成分、微观结构、形貌和尺寸分布等方式，来改变材料表面性质的技术。

基于不同的目的，常用的表面改性技术包括：物理方法、化学方法、生物方法和化学物理方法等。

物理方法主要包括物理气相沉积、物理溅射、电子束熔化、激光熔化、爆炸喷涂、电化学沉积等；化学方法主要包括化学气相沉积、化学溅射、化学还原、化学水解、电化学氧化等；生物方法主要是指利用生物体系合成和表征蛋白质、DNA、RNA等物质的方法；而化学物理方法主要是通过物理和化学相互作用来改变材料表面的性质。

不同的表面改性方法可以实现不同的表面改性效果，例如，物理气相沉积可以制备出薄膜和纳米结构，化学溅射可以制备出纳米材料及其复合材料，并且这些制备方法也可以相互结合使用。

表面改性技术的应用范围表面改性技术可以广泛应用于各种材料，如金属、陶瓷、复合材料、涂料、塑料和橡胶等。

在电子、光电、生物、医药、环保等领域中，表面改性技术有着各自独特的应用。

例如，在医疗领域，通过表面改性可以制备出具有生物相容性和生物活性的医疗材料，提高医疗器械的性能和安全性。

在环保领域，表面改性技术可以制备出具有高稳定性和高选择性的环境污染控制材料，如水处理材料、气体膜材料等。

在光电领域，通过表面改性可以制备出具有纳米结构的光电材料，如太阳能电池、光触媒、SPR传感器等。

表面改性技术的实现方法表面改性技术的实现方法可以根据不同的应用目标和材料特性选择不同的技术路线。

在表面改性前，需要对材料的表面性质进行详细的分析，确定表面改性的目标和方法。

聚合物表面改性方法综述聚合物表面改性方法综述摘要：由于聚合物表面化学能低、化学惰性等因素，其使用时需要进行表面改性。

本文综述了聚合物表面改性的方法（化学处理、低温等离子处理、表面接枝处理、电晕放电处理、光化学改性和离子注入改性），并对其改性机理及应用研究进展进行了说明。

关键词：聚合物，表面，改性方法高聚物表面因表面能低、化学惰性、表面污染及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。

因此，常常要对高聚物进行表面处理。

表面处理的目的就是改变表面化学组成，增加表面能，改善结晶形态和表面的几何性质，清除杂质或脆弱的边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和粘结性等。

高聚物的表面改性方法有多种，如电晕、火焰、化学改性、等离子改性、辐照、光化学改性等。

这些方法一般只引起10nm～100μm 厚的表面层的物理或化学变化，对整体性质影响较小。

高聚物表面处理后的表面层化学、物理结构发生了变化，但是由于表面层很薄，对表面层变化的表征往往比较困难，表面物理性能一般通过接触角和表面能的测试进行表征，表面的形貌可用电镜进行观察，表面化学组成可由ESCA(光电子能谱)表征。

表面处理的效果往往由材料使用的性能直接评估，例如粘接强度的提高，印刷性能的改进，染色性的改善等等。

目前，聚合物改性方法主要有：化学处理、低温等离子处理、表面接枝、电晕放电处理和热处理等方法。

本文综述了上述聚合物表面方法的研究进展。

1.化学处理化学处理是用化学试剂浸洗高聚物, 使其表面发生化学的和物理的变化。

其研究进展如下：1.1溶液氧化法溶液氧化法是一种应用时间较长的处理方法，由于其简便易行，以处理形状复杂的部件，且条件易于控制，一直受到广泛关注。

溶液氧化法对聚合物表面改性影响较大的因素主要是化学氧化剂的种类及配方、处理时间、处理温度。

常用的氧化体系有:氯酸-硫酸系、高锰酸-硫酸系、无水铬酸-四氯乙烷系、铬酸-醋酸系、重铬酸-硫酸系及硫代硫酸铵-硝酸银系等，其中以后两种体系最为常用。

1.膜改性由于具有清洁、廉价、节能等特点，近年来得到快速发展，是解决膜污染的有效方法之一。

本文综合介绍了膜的基体改性、表面改性这两种改性类型和目前常用的改性方法包括表面涂覆、表面活性剂改性、化学修饰改性、仿生改性等等，并简单介绍了膜改性在环境领域的应用，探讨了膜改性今后的发展。

3. 膜改性类型膜的改性主要有两种方法，其一是基体改性，其二是表面改性。

3.1基体改性：3.1.1共混制膜是一种非常适用和常用的膜改性方法，这种方法是将传统制膜材料与另一种聚合物共混，改性在成膜过程中完成，不需要繁琐的后续处理步骤，很适合工业化生产。

所制备的膜既具有传统膜的物理、化学和机械性能，又具备所添加的共混物功能，取长补短，消除各单一聚合物组分性能上的弱点，获得综合性能较为理想的膜材料。

通常说来，共混膜是为了提高膜的亲水性能。

国外研究者关注于共混膜的性能、微观形态结构以及共混物质的相容性。

3.1.2共聚改性是指通过两种或者两种以上单体间的聚合反应改善膜材料的性能。

在制备过程中，各单体之间发生复杂的反应，形成最终的共聚膜。

目前，常见的共聚膜有聚合物膜的璜化如璜化聚砜，璜化聚丙烯腈，璜化聚苯乙烯，璜化聚醋酸乙烯酯等。

Hester J F等合成了一种以聚甲基丙烯酸甲酯为主链，聚乙二醇为支链的两亲性梳状聚合物P(MMA～r PEOM)，并且提出了两亲性聚合物在相转化制膜过程中在膜表面的表面富集及自组装行为。

由于在成膜过程中膜和凝固浴之间存在水浓度梯度，两亲性聚合物向表面迁移，形成表面富集。

表面富集的程度与凝固浴的温度正相关，温度升高，富集现象明显，反之，则富集度下降。

依据这种原理，可以利用制膜过程中使用外加热源而达到表面富集的效果。

例如将膜置于热水中进行热处理，表面富集程度可以进一步提高。

另外，当膜的亲水性由于使用而遭到破坏时，可通过热处理使两亲性梳状聚合物亲水性侧链重新迁移到膜表面，从而使膜的亲水特性得以自我恢复。

Hester等还研究了PEO链长对膜性能的影响，发现随着链长的增加，膜的亲水性和抗污染能力进一步提高。

1.膜的定义膜是一种选择性壁障。

2.膜分离技术的特点（1）是一个高效分离过程（2）膜分离过程能耗低（3）工作温度在常温附近，特别适合处理热过敏物质（4）维护少，可靠度高，操作简便（5）过程模拟和处理能力变化范围大（6）分离效率高，设备体积小，占地少3.膜的分类（选择）①按材料性质：天然生物膜和合成膜（固液气）②按形态结构：多孔膜和非多孔膜（按晶型可分为结晶型和无定型）多孔膜（对称和非对称）；非多孔膜分为整体不对称膜（皮层和支撑层为同一种材料）和复合膜（不同材料）4.相转换膜相转换法又称溶液沉淀法或聚合物沉淀法，是最重要的非多孔膜制备方法沉淀凝胶法（L-S）法制作非多孔膜的步骤：（1）高分子材料溶于溶剂中，并加入添加剂，配成制膜液：（2）制膜液通过流延法制成平板型、圆管型，或用纺丝法制成中空纤维型；（3）使膜中的溶剂部分蒸发（4）将膜浸渍在对高分子是非溶剂的液体中（最常用的是水），液相的膜在液体中便凝胶固化；（5）进行热处理，对非醋酸纤维素膜，如芳香聚酰胺膜，一般不需要热处理；（6）膜的预压处理。

5.复合膜界面聚合法：P23聚砜支撑膜先通过第一单体槽，吸附第一单体后经初步干燥接着进入第二单体槽，在这里反应生成超薄复合膜，再经洗涤去除未反应的单体和干燥后，则得成品复合膜。

6.膜表面与膜材料改性的意义和方法方法：膜表面本体改性和表面改性，分为物理方法和化学方法。

常用的方法有接枝、共聚、交联、等离子或放射线刻蚀、溶剂预处理等。

意义：（1）减小孔径，满足微滤、超滤或者气体分离的要求，或通过修饰将孔封闭，使微孔膜或为致密膜。

（2）通过引入某些元素或化合物，调节微孔膜表面性质，从而达到改变膜的传递与分离机制。

（3）引入某些具体催化性能的活性组分又具有催化活性。

7.渗透和反渗透现象渗透：将浓度不同的两种溶液用只能透过溶剂不能透过溶质的半透膜隔开，假定膜两侧静压力相等，则溶剂在自身化学位差的作用下将自发地从稀溶液侧透过膜扩散到浓溶液侧。

第二章纤维的改性与改形利用本章将以蚕丝纤维为例说明改形利用的途径，而改性利用则以纤维素纤维为主加以说明。

第一节蚕丝纤维的改形利用目前对蚕的技术属性有两种说法：对纺织工业来说，这是一个生物纺丝器，对材料科学来说，这是一个生物反应器。

蚕丝纤维的改形利用，就是按照新的利用需要，将蚕丝纤维改制成其他形式的材料。

具体地讲，就是要把蚕丝细而长的纤维形态改换成其他的形态加以利用。

从目前正在实施的改形方法来看，主要是改变成粉体和膜体这两种利用形态。

一、蚕丝纤维的粉体材料（一）丝素的粉体材料原料：以来自纺织品制造过程中的残次料为主。

丝素精炼：这些材料大多已脱去丝胶或只残留有少量丝胶，因此，只要稍加处理（如用0.5％的碳酸纳溶液，按1：100浴比煮沸30分钟进行脱胶，重复两次，并充分水洗），即可获得纯丝素。

丝素溶液制备：将精炼后的丝素纤维放置在高浓度的中性盐溶液中加热溶解，形成丝素溶液，由于中性盐中的氯化钙价格合适，所以一般都以它为溶剂（按1：25浴比，用40～50％的浓度煮沸），100ml氯化钙可溶解15—20g丝素。

制得的丝素溶液可以通过以下几种途径制成粉体材料：1．经凝胶化处理形成粉末——先将丝素溶液中杂质用滤材滤去，然后放入透析袋用流水进行透析（或用中空纤维膜超滤），截留下分子量在12000～14000以上的蛋白分子（实际得到的分子量约在60000左右）然后再脱盐、脱水浓缩成凝胶化的丝素（即可用作为食品），将该丝素凝胶在-20～-50℃条件下冷冻干燥后用2-1机械粉碎，即成丝素粉末，2．经硫酸水解形成粉末——将精炼后的丝素纤维按1：100的浴比放入5％的硫酸（或其他浓度的盐酸）溶液中，在110℃油浴中加热60～240分钟，然后再用氢氧化钠溶液中和，并用流水进行透析。

将透析后的丝素溶液作脱盐处理并在80℃干燥，再用机械进行粉碎，即成黄褐色的丝素粉末。

丝素粉末的用途：用作食品，用作为化妆品、固形剂、药物等产品的基本素材，现以药物例为说明如下：试验证明，丝素蛋白有促进胰岛素分泌，降低血糖的作用。

第二章 材料科学与工程的四个基本要素 MSE 四要素；– 使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工两个重要内容;– 仪器与设备，分析与建模§2。

1 性质与使用性能 1。

基础概念2。

性质与性能的区别与关系 3。

材料的失效分析4. 材料（产品）使用性能的设计5. 材料性能数据库6. 其它问题2。

1。

1基础内容 材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热。

机械载荷的应。

材料性质描述• 力学性质;强度,硬度,刚度，塑性,韧性物理性质;电学性质，磁学性质，光学性质，热学性质 化学性质；催化性质，防化性质结构材料性质的表征——-—材料力学性质 强度:材料抵抗外应力的能力.塑性:外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能 力。

硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。

刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。

疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力.抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。

韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力.6强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应 变2.1.1基础内容7材料的物理性质磁学性质光学性质电学性质· 导电性 · 绝缘性 · 介电性· 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性· 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性热学性质· 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质2.1.1基础内容物理性质的交互性———-材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特 殊的物理交互性。

例如: 电学———-机械电致伸缩 机械————电学压电特性 磁学————机械磁致伸缩 电学————磁学巨磁阻效应 电学——-—光学电致发光 性能定义在某种环境或条件作用下,为描述材料的行为或结果，按照特定的 规范所获得的表征参量。