通过氯化锂改性提高聚丙烯腈-壳聚糖膜的除湿性能

《Surface and Coatings Technology》：Improving dehumidification performance of polyacrylonitrile–chitosan membranes through lithium chloride modification

　　

杨清旭|张永汉|王子涵|安成芳|陈珏琳|陈旭宇|程宏平|陈祥|陈镇治|吴敬云|陈库凡|小林真希

台湾新竹天主教慈悲医院急诊医学系

摘要

随着技术的不断进步，膜材料制造已成为工业发展的重要方面，对多个领域产生了显著影响。特别是透湿膜，在从环境控制到可穿戴技术等各种应用中发挥着不可或缺的作用。为了提高透湿性并优化膜性能，研究人员制备了氯化锂（LiCl）/壳聚糖（CS）/聚丙烯腈（PAN）复合膜。PAN以其优异的机械强度和化学稳定性而广受认可，能够提供结构完整性；而CS则增强了成膜能力并具有显著的酸碱抗性。加入LiCl进一步改变了膜的功能特性，影响了其透湿性和整体性能。本研究系统地探讨了不同LiCl浓度对膜性能的影响，以确定能够最大化透湿效率的最佳组成。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDX）、拉曼光谱和3D共聚焦显微镜等分析技术，阐明了LiCl含量与膜形态、孔隙率和透湿性之间的复杂关系。结果表明，膜的除湿性能强烈依赖于LiCl浓度，这表明这些膜在空调系统和先进可穿戴纺织品中有应用潜力。这些结果为下一代透湿膜的材料设计策略提供了重要见解，为它们在创新工业产品和消费品中的集成铺平了道路。

引言

技术的快速发展极大地扩展了膜的应用范围，使得膜在气体分离[1]、食品加工[2]、废水处理[2]和电池制造[3]等领域变得不可或缺。在这些应用中，湿度控制尤为重要，它对于保护电子设备[4]、保持食品质量以及确保医疗环境中的无菌状态至关重要。传统的湿度控制方法（如氧化铝干燥剂、变压吸附和沸石分子筛）通常受到高能耗、低效率和环境问题的限制[5]。复合膜作为一种有前景的替代方案，提供了更可持续和高效的解决方案[6]。

尽管对有机和无机膜的研究已经相当深入，但材料性质与膜渗透行为之间的关系仍需进一步探索。本研究重点关注了由氯化锂（LiCl）、壳聚糖（CS）和聚丙烯腈（PAN）组成的复合膜中水分子的行为。PAN以其出色的机械强度、耐溶剂性和化学稳定性而闻名，是合成纤维生产中的常用材料[7]；CS则赋予了该复合膜优异的亲水性、酸碱抗性和成膜能力[8]。当掺入不同浓度的LiCl时，这种复合膜表现出出色的透湿性和透气性。

氯化锂（LiCl）被认为是一种高吸湿性的盐，将其掺入聚合物基质中可以显著提高吸水性。然而，虽然添加LiCl有望提高透湿性，但过量的盐分可能导致盐团聚、结晶或微观结构不均匀，从而改变气体传输路径并影响空气阻隔性能。在除湿膜中，同时实现高透水性（WP）和低透气性（AP）对于保证高选择性（SE = WP/AP）至关重要。尽管已有相关研究，但对于LiCl掺量如何影响水传输增强与空气传输抑制之间的平衡（尤其是在PAN/CS复合体系中）仍缺乏系统性的理解。

本研究旨在阐明不同LiCl掺量对膜透水性和透气性的影响。为此，采用了多种表征技术，包括透射电子显微镜（TEM）观察膜结构、扫描电子显微镜（SEM）分析表面形态、X射线衍射（XRD）研究结构有序性、能量色散X射线光谱（EDX）分析元素组成，以及拉曼光谱提供与LiCl掺入相关的补充光谱证据。结果表明，适当的LiCl含量可以提升膜的除湿性能。膜的纤维结构和固有孔隙率可能对其选择性有所贡献[9]；在本研究考察的所有组成中，含有100% LiCl的膜表现出最佳的整体选择性。这些特性使得LiCl/CS/PAN复合膜成为医疗设备[10]、空调[11]和智能可穿戴技术[12]等先进应用的理想候选材料，具有高透湿性和选择性气体阻隔性能。

章节摘录

铸膜溶液的配制和平面基底膜的制备

使用电子天平精确称量N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP，Tedia公司）和聚丙烯腈（PAN，TongHwa公司）的用量，然后将其转移到密封的血清瓶中。将混合物加热至90°C，并用磁力搅拌器连续搅拌七天以确保充分混合。搅拌后，让溶液在受控室温下静置约24小时以排除其中的空气

结果与讨论

为了满足除湿应用对高选择性和高透湿性薄膜的需求，本研究评估了含有不同浓度LiCl的PAN/CS薄膜的性能。主要目标是确定能够最大化透水性同时最小化透气性的最佳LiCl浓度，如图4所示。

通过使用公式SE = WP/AP [13]（其中WP表示透水性，AP表示透气性）来评估选择性，发现最合适的...

结论

本研究探讨了不同LiCl掺量对LiCl/CS/PAN复合膜透水性和透气性的影响。根据渗透性测试、形态观察和元素/光谱分析的综合结果，含有100% LiCl的膜在所有测试组中表现出最平衡的除湿性能。然而，较高的LiCl掺量（150%和200%）会导致表面形态更加不均匀...

CRediT作者贡献声明

杨清旭：撰写 – 审稿与编辑、数据验证、项目管理。张永汉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、正式分析。王子涵：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、正式分析。安成芳：撰写 – 初稿撰写、数据管理、概念构思。陈珏琳：数据管理。陈旭宇：数据管理。程宏平：数据验证、监督。陈祥：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了台湾科技部（合同编号MOST 112-2221-E-260-003）和国立台北科技大学与马凯纪念医院联合研究计划（合同编号NTUT-MMH-112-04）的支持。