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天津科技大學(xué)程博聞教授團(tuán)隊(duì) Macromolecules：錨定二酐結(jié)構(gòu)-PBO膜反trade-off現(xiàn)象
2025-03-06  來(lái)源：高分子科技

  天津科技大學(xué)、生物基纖維材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的程博聞教授團(tuán)隊(duì)近期于Macromolecules期刊發(fā)表題目為“Anchoring the Dianhydride Structure to Simultaneously Enhance the Permeability and Selectivity of the Polybenzoxazole Membranes”的文章。該文章第一作者為碩士生王戈，通訊作者為程博聞教授、楊磊鑫副教授和李凱華講師。



【研究亮點(diǎn)】

  • 成功設(shè)計(jì)并合成了一種具有錨定扭曲基團(tuán)的新型鄰羥基 PI。

  • 錨定結(jié)構(gòu)提高了聚合物剛度，調(diào)節(jié) TR 過(guò)程，成功制備了具有反trade-off效應(yīng)的 PBO薄膜。

  • 較高的鏈剛度可使 PBO 結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放，并在形成過(guò)程中阻礙鏈的堆疊。

  • 優(yōu)化的聚苯并噁唑薄膜（6FCBO）的氣體分離性能超過(guò)了2008年的上限。


  微孔聚合物材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)其膜分離性能有很大影響。然而，大體積單體的調(diào)節(jié)使得精確闡明這些材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系變得復(fù)雜。在該研究中，提出了一種錨定扭曲單體策略，以實(shí)現(xiàn)聚苯并惡唑（PBO）膜的原子級(jí)優(yōu)化，從而顯著提高氣體分離性能。以原始二酐 4，4''-（六氟異亞丙基）二鄰苯二甲酸酐（6FDA）為基礎(chǔ)，精確引入醚氧鍵，錨定扭曲的二酐結(jié)構(gòu)。合成了兩種含羥基的聚酰亞胺（PI），6FCBI（含醚氧鍵）和 6FBI（不含醚氧鍵），隨后通過(guò)熱處理將其轉(zhuǎn)化為 PBO 薄膜（6FCBO 和 6FBO）（圖1）。


圖1. 聚酰亞胺前體和PBO膜的制備。


  醚氧鍵的引入有效地調(diào)節(jié)了聚合物鏈的剛性，進(jìn)而影響熱重排過(guò)程中聚苯并噁唑（PBO）鏈的堆疊。剛性結(jié)構(gòu)使得PBO保留了更高的自由體積，形成高的比表面積以及更多的微孔結(jié)構(gòu)（圖2）。與傳統(tǒng)的熱重排（TR）膜相比，6FCBO 膜在氣體分離性能方面表現(xiàn)出反trade-off效應(yīng)，同時(shí)提高了氣體滲透性和選擇性。值得注意的是，6FCBO 的二氧化碳滲透率達(dá)到 2540 Barrer，二氧化碳/四氯化碳選擇性達(dá)到 28.8，超過(guò)了 2008 年Robeson上限（圖3）。這項(xiàng)研究為微孔聚合物材料提供了精確的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，提供了新的的見(jiàn)解和證據(jù)。


圖2.（a）6FBI、6FCBI、6FBO 和 6FCBO 的 N2 吸附/解吸等溫線，（b）用 Horváth-Kawazoe (H-K) 方法得到的孔徑分布（PSD）。


圖3. 6FBI、6FCBI、6FBO 和 6FCBO 及相關(guān)膜的純氣體分離特性：（a）CO2/CH4 的上限，（b）CO2/CH4分離的反trade-off評(píng)估。


  原文信息：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c02723


作者簡(jiǎn)介


第一作者

王戈（碩士）

工作單位： 天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院

通訊郵件：17756607139@163.com


通訊作者


李凱華（講師）

工作單位： 天津科技大學(xué)材料與化工學(xué)院

通訊郵件：Likh_199109@163.com



楊磊鑫（副教授）

工作單位： 天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院

通訊郵件：Leixinyang@tust.edu.cn



程博聞（教授）

工作單位： 天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院

通訊郵件： bowenc17@tust.edu.cn

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