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聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究

时间:2016/6/5 21:31:32

项目名称:聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究

项目编号:51466007

内容简介

1.项目背景

1.1 研究意义

不同成份和方法合成的聚酰亚氨酸经流涎成膜,再经亚胺化成为不同种类和形式的聚酰亚胺膜。现有研究均以描述聚酰亚胺膜水蒸气扩散透过特性为主要目的,如图1所示,未涉及由此对薄膜湿敏特性的影响,对膜吸湿/脱湿过程特性差异(湿滞)机理的揭示并不深刻。

  聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究         聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究

图1 聚酰亚胺分离薄膜             图2聚酰亚胺感湿薄膜

基于特征参量(如介电常数)随膜中吸收水分子浓度不同而发生变化的特性,聚酰亚胺薄膜可以作为电容式湿度传感器的感湿膜,普遍用于湿度测量领域,如图2所示。由于聚酰亚胺薄膜中水分子的传质过程的复杂性,常伴有水分子凝聚、化学反应和能量传输,至今没有一个形式简单,能够准确描述聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的模型。而该模型的建立不仅会增进对水蒸气在膜中的传输机理的认识,还可指导湿度传感元件的设计以达到提高湿敏元件的湿滞和动态响应特性。

1.2国内外研究现状

纵观国内外的研究,国内外学者对聚酰亚胺分离膜水蒸气传质机理已进行了大量研究工作,并取得了一系列重要的成果。但标志着对机理更深刻认识的传质模型非常简略,未包含对水蒸气在膜中传输起关键作用的其它因素:膜分子结构、能量传输、化学反应、水分子物理凝聚等。

为弥补这一缺陷,项目的科学思路是:建立一包含对水蒸气在膜中传输起关键作用的其它因素在内的模型;测定模型中的关键参数、发展求解模型的数值方法,经试验验证后,用数值分析的方法研究聚酰亚胺分离膜水蒸气传质机理。项目的目标是增进对聚酰亚胺膜中水蒸气传质机理的认识,获得水蒸气传质机理参数化描述,为提高聚酰亚胺薄膜应用功能特性提供基础数据。

2.项目的研究内容

(1)建立聚酰亚胺薄膜中水蒸气传质模型

基于菲克扩散定律,通过增加源项的方式考虑水分子凝聚、传输过程中水分子之间及与膜分子之间的受力和能量传递,构建模型。

(2)求解模型的数值方法及模型中关键参数的实验测定

聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究

 

图3 研究方案框架图

考虑到增加的源项可能会引入较高次方的水浓度梯度及和浓度自身的组合,模型的非线性程度增加,从而应根据模型方程的结构研究出相应的数值方法。

(3)聚酰亚胺薄膜水蒸气传质模型数值方法的实验验证

聚酰亚胺薄膜需通过高分子聚合、均胶、亚胺化等工艺,工艺的不同直接影响水蒸气传质特性。项目将通过把薄膜制作成湿敏元件,对其湿敏特性进行测试,获得聚酰亚胺薄膜水蒸气的传质机理。

(4)揭示聚酰亚胺薄膜中水蒸气传质机理

用所建立聚酰亚胺薄膜水蒸气传质模型及所发展的数值方法,研究多种膜在多种不同条件下的聚酰亚胺薄膜中水蒸气传质机理。

3.方法路线

3.1 研究方法

根据上述研究内容和研究目标,本项目拟采用理论分析、数值分析和实验相结合的方法。采用理论分析法确定模型方程中新增源项的内容和形式,构建薄膜中水蒸气传质模型。采用实验的方法获得模型中的关键参数及模型正确性验证。采用数值方法揭示薄膜中水蒸气传质机理及获得其参数化描述。

3.2技术路线

项目具体方案见图3。

3.2实验方案

膜孔隙率、孔径的测定 通过孔隙率仪对不同工艺合成的聚酰亚胺膜的孔隙率和孔径进行测定,同时辅以浸水称重法。

有效扩散系数的测定 本项目拟搭建水蒸气在膜中的动态吸附、脱附实验装置,如图4所示,用于聚酰亚胺膜有效扩散系数的测定

聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究

图4 水蒸气薄膜吸湿、脱湿实验装置

膜中水蒸气含量测量 采用上述方法,也可对膜中水蒸气的含量进行测量。

膜吸、脱湿响应时间测量  基于课题组已掌握的膜吸、去湿响应时间测量方法、项目拟采用图5所示的原理来测量膜吸、去湿响应时间。

聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的研究

  图5 湿敏元件动态特性测试系统原理图

 

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