Vapor-induced phase separation—effect of the humid air exposure step on membrane morphologyPart I. Insights from mathematical modeling

水蒸气 传质 相对湿度 多孔性 材料科学 铸造 聚合物 湿度 相(物质) 化学工程 复合材料 化学 热力学 色谱法 物理 工程类 生物化学 有机化学
作者
Vivek Khare,Alan R. Greenberg,William B. Krantz
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:258 (1-2): 140-156 被引量:105
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2005.03.015
摘要

Vapor-induced phase separation (VIPS) involves a dry–wet casting process in which the dope solution is exposed to a nonsolvent vapor (often humid air) for a fixed time interval prior to immersion in a coagulation bath. Humid air exposure leads to a slow transfer of water from the vapor phase into the dope solution. By controlling the humid air exposure time, relative humidity, air temperature and gas phase velocity, the VIPS process can be used to obtain membranes with unique morphologies, including an "hour-glass" structure. This hour-glass morphology refers to the situation in which the porosity is a minimum at some location (plane) within the membrane cross-section, and systematically increases from this plane in a perpendicular direction toward each surface. In this paper a fully predictive first-principles model is developed for the humid air exposure step for the quaternary water/N-methyl pyrrolidone (NMP)/polyethersulfone (PES)/polyvinyl pyrrolidone (PVP) system. Model predictions indicate that water transfer leads to an increase in the cast film thickness as well as a dilution of the polymer at the vapor/casting solution interface (top surface). This polymer concentration decrease can explain the evolution of the characteristic hour-glass morphology. Model simulations indicate that the degree of asymmetry in the region from the minimum porosity to the top surface of the membrane can be increased by increasing the mass-transfer coefficient or decreasing the PES:PVP mass ratio in the dope solution.
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