膜是一種二維材料，即相對于長和寬，其厚度幾乎可以忽略。膜廣泛存在于自然界，起著分隔、分離和選擇性透過等重要功能。隨著科學(xué)的發(fā)展，越來越多的人工合成膜被研究制造出來，并應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究。普通合成膜材料，如在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的塑料膜等，有很多重要的有用性質(zhì)和用途，但是其功能主要在隔離和保護(hù)方面，我們稱其為普通膜材料，屬于常規(guī)材料科學(xué)研究范圍。本章將要介紹的高分子功能膜屬于特殊性質(zhì)膜，主要表現(xiàn)在對某些物質(zhì)有一定選擇透過性。我們經(jīng)?？梢杂^察到這樣一種現(xiàn)象，充滿氫氣的氣球，一段時間后會由于發(fā)生氣體逸出，體積會變小，顯示構(gòu)成氣球的橡膠膜在一定程度上允許氫氣透過。然而，當(dāng)在同樣條件下充人氮?dú)?，氣球?nèi)氣體逸出的速度相對要慢得多，這說明構(gòu)成氣球的橡膠膜對不同氣體的透過有區(qū)分效應(yīng)，是一種氣體選擇性透過膜。本章將要介紹的功能膜就是這樣一種具有選擇性透過能力的膜型材料，通常稱做分離膜，屬于功能高分子材料范疇。此外，具有其他性質(zhì)的膜，如Langmu-Blogett膜和自組裝(SelLAssembled)膜，

　　 高分子功能膜是一種重要的功能材料，已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，或者具有巨大潛在應(yīng)用前景。比如在電場力作用下的電透析裝置，在壓力作用下的超濾、微濾和反滲透裝置，在濃度梯度力作用下的滲透過濾裝置，以及膜修飾電極、非線性光電材料、膜緩釋裝置等都是功能膜材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域。這些研究成果被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。對于節(jié)約能源，提高效率，凈化環(huán)境做出了重大貢獻(xiàn)。

　　 膜科學(xué)是一門新興學(xué)科，研究的內(nèi)容包括膜的化學(xué)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系、膜的形成方法、加工技術(shù)工藝、膜分離機(jī)制以及應(yīng)用開發(fā)等諸多方面。同時膜科學(xué)也是一種交叉學(xué)科，采用了大量化學(xué)、物理、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究成果，這些成果給膜科學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動力。本章將從理論和應(yīng)用兩個方面對膜科學(xué)的主要內(nèi)容加以概括性介紹。本章將要講述的內(nèi)容涉及這類功能高分子膜材料的合成和制備、性質(zhì)測定與實際應(yīng)用等方面。

　　 分離膜是最重要的功能膜材料。用于混合物分離目的的合成膜材料的發(fā)展可以追溯1846年，那時Sch。nbein用硝酸纖維素制作了有實用意義的氣體分離膜。其后的近一個世紀(jì)中，合成分離膜獲得了持續(xù)發(fā)展。但是幾乎所有膜科學(xué)方面的研究工作，包括膜動力學(xué)和膜形態(tài)學(xué)研究都是以類似的改性纖維素為基本材料。直到20世紀(jì)20年代，人工合成聚合物的出現(xiàn)，才為膜科學(xué)的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。與此同時，聚合物分子結(jié)構(gòu)與膜的形成和功能之間關(guān)系的研究也取得了重大進(jìn)展，在70年代左右形成了比較完善的膜科學(xué)。隨著近幾十年膜科學(xué)研究的成果積累，目前分離膜的制備材料早巳突破了改性纖維素的范圍，包括了天然的、合成的和半合成膜等數(shù)大類，幾百種材料。功能膜的分析研究方法也有了重大突破，膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大擴(kuò)展。高分子功能膜材料已經(jīng)成為功能高分子材料化學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。

對于膜科學(xué)發(fā)展有重要意義的重大事件有以下幾件。1935年Teorell發(fā)明了有離子選擇性透過能力的離子交換膜，并在1949年由Juda和McRac完成實用化過程 ，離子交換膜在氯堿工業(yè)的升級改造中起到了決定性作用。能夠使固液分離的微濾膜1927年在德國發(fā)明，1950年在美國實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。至此，膜分離成為一項重要的化21232藝。1960年以來，膜科學(xué)進(jìn)入了黃金發(fā)展時期，在這一時期中，各種各樣的膜材料大量涌現(xiàn)，人們對膜科學(xué)的認(rèn)識不斷加深，研究手段不斷提高，更重要的是膜材料大面積進(jìn)入實用化、工業(yè)化。大量的技術(shù)突破，使膜材料生產(chǎn)和應(yīng)用得到了空前的發(fā)展。

我國在1958年開始研究離子交換膜和電滲析膜，1966年開始研究反滲透膜。同時，在微濾膜、超濾膜、液體膜、氣體分離膜、密度膜等領(lǐng)域相繼開展研究工作。但是，從總體上來講，發(fā)展比較緩慢。從80年代以來我國以苦咸水淡化為標(biāo)志的膜分離技術(shù)研究進(jìn)入了一個快速發(fā)展時期。各種分離膜被廣泛應(yīng)用到海水和苦咸水淡化、純凈水制備、食品加工、藥品制造、工業(yè)廢水處理、合成氨和石油化工尾氣中回收氫氣等領(lǐng)域。迄今為止，我國從事膜分離過程和膜材料制備研究的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)有幾十家，并建立了國家液體膜工程研究中心和膜技術(shù)國家工程研究中心。從事膜分離設(shè)備和膜材料生產(chǎn)的企業(yè)已經(jīng)超過百家，并引進(jìn)了數(shù)條膜材料生產(chǎn)線，我國的膜工業(yè)已經(jīng)初步形成。

高分子功能膜的分類

　　 高分子功能膜材料有很多種，分類的方法也多種多樣，缺乏統(tǒng)一的規(guī)律。產(chǎn)生多種多樣的分類方式是基于研究目的、觀察角度不同，因而需要不同的歸類標(biāo)準(zhǔn)。從目前的資料來看，功能膜主要有以下幾種分類方式。①根據(jù)構(gòu)成膜的材料種類劃分有以無機(jī)碳材料或陶瓷材料為主的無機(jī)膜，以合成高分子材料為主的有機(jī)合成膜，天然高分子材料為主的天然有機(jī)膜和液體高分子材料在支撐材料上形成的液體膜等。②根據(jù)使用功能劃分，包括用于混合物分離的分離膜，用于藥物定量釋放的緩釋膜，起分隔作用的保護(hù)膜。③根據(jù)被分離物質(zhì)性質(zhì)不同，有氣體分離膜、液體分離膜、固體分離膜、離子分離膜、微生物分離膜等。④根據(jù)被分離物質(zhì)的粒度大小分成反滲透膜(Reverse osmosis RO or Hyperfiltration HF)、納濾(Nanofiltration NF)膜、超濾(Ultrafiltration UF)膜、微濾(Microfiltrtion MF)膜。⑤根據(jù)膜的形成過程劃分有沉積膜(Deposited film)、相變形成膜(Phase-inversion mem-brance)、熔融拉伸膜(Melt-extruded film)、溶劑注膜(Solvent-east film)、燒結(jié)膜(Sin-teredfilm)、界面膜(Interface film)和動態(tài)形成膜(Dynamically formed membrance)。⑥根據(jù)膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)不同還可以分成密度膜(Dense membrance)、乳化膜(Emulsion-typemembrance)和多孔膜(Porousmembrance)。下面根據(jù)后三種分類方法對幾種功能膜的分類依據(jù)加以介紹。

　　 (1)微濾(MicrofiltrtionMF)膜 微濾膜屬于多孔膜，主要應(yīng)用于壓力驅(qū)動分離過程，膜孔徑的范圍在o．1～10 pm之間，孔積率約70％左右，孔密度約為109個／cm ，操作壓力在69～207 kPa之間。在工業(yè)上用于含水溶液的消毒脫菌和脫除各種溶液中的懸浮微粒，適用于濃度約為10％的溶液處理。其分離機(jī)理為機(jī)械濾除，透過選擇性主要依據(jù)膜孔徑的尺寸和顆粒的大小。制備方法有相轉(zhuǎn)變法(Phase-inversion process)、裂變碎片輻照(1rradiated bYfissionfragment)密度膜法、燒結(jié)(Sintered process)法和熔融拉伸(Melt-extruded)法等。

　　 (2)超濾(UltrafiltrationUF)膜 與微濾膜一樣，也屬于多孔膜，應(yīng)用于壓力驅(qū)動。