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項目成果/簡介:壓電駐極體是具有強壓電效應(yīng)的柔性駐極體材料，因其表現(xiàn)出“類鐵電性”和，也稱為鐵電駐極體，是一類新型的人工智能和新能源材料。它的壓電性源于雙極性空間電荷在聚合物基體上的取向排列，以及材料特殊的微孔結(jié)構(gòu)。壓電駐極體膜是具有強壓電效應(yīng)的新型柔性壓電功能膜，與傳統(tǒng)壓電材料的壓電效應(yīng)起源有本質(zhì)區(qū)別。 與壓電陶瓷和傳統(tǒng)的鐵電聚合物（例如聚偏氟乙烯PVDF及其共聚物）相比較，壓電駐極體具有一些獨特的性能：壓電駐極體在提高壓電活性的同時還擁有聚合物的高柔韌性、薄膜型（厚度可低至40μm）、超輕（體密度可低至330kg/m3）、低成本、低電容率、可大面積成形，以及低聲阻抗（0.03MRayl）等特點。經(jīng)過特殊工藝制備的壓電駐極體薄膜的準靜態(tài)壓電系數(shù)d33高達1000pC/N，這一數(shù)值遠遠高于PVDF（約25 pC/N）及其共聚物P(VDF/TrFE)。因此，壓電駐極體組合了壓電陶瓷和鐵電聚合物薄膜各自的優(yōu)點，在國防、醫(yī)療、航空航天、綠色能源（例如寬頻帶振動能量采集器、生物運動能量采集、海浪發(fā)電等）、控制、通訊（例如自供能微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)）、智能結(jié)構(gòu)、電聲換能器、空氣耦合超聲換能器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用范圍:柔性薄膜傳感器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、人體健康監(jiān)測、無損檢測、觸覺傳感器、電子肌膚、聲吶、空氣耦合超聲波換能器、微能量采集器等多個領(lǐng)域。項目階段:小規(guī)模生產(chǎn)效益分析:目前芬蘭的Emfit公司是唯一能夠大批量生產(chǎn)聚丙烯（PP）壓電駐極體功能膜的生產(chǎn)商，采用的技術(shù)主要由兩部分構(gòu)成：微孔結(jié)構(gòu)薄膜制備和電極化處理。在微孔 薄膜制備階段，首先將聚丙烯樹脂與無機礦物顆粒（例如CaCO3和TiO2）熔融共混，然后擠出成聚丙烯-礦物顆粒復(fù)合薄板，最后雙向拉伸形成微孔結(jié)構(gòu)的薄膜。在電極化處理階段采用電暈極化方式。而我們擬采用的技術(shù)是：以低廉價格的商品聚丙烯包裝材料為原材料，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多次壓縮氣體膨化工藝調(diào)控薄膜微結(jié)構(gòu)和機電性能，獲得高活性聚丙烯壓電駐極體膜。利用該技術(shù)生產(chǎn)出功能薄膜的活性遠高于芬蘭商品膜，最高可達50倍。

?成果與項目的背景及主要用途：用于 CO2 分離的膜技術(shù)在天然氣、沼氣的 凈化，三次采油中的 CO2 回收，密閉空間中的 CO2 脫除以及減輕溫室效應(yīng)等領(lǐng) 域有廣闊的應(yīng)用性前景。與傳統(tǒng)的 CO2 分離技術(shù)相比，膜分離方法具有投資少， 能耗低，環(huán)境友好，設(shè)備簡單緊湊、節(jié)約空間、高效靈活、易于操作等優(yōu)點，而 且 CO2 濃度越高，膜法分離越經(jīng)濟，即使 CO2 濃度低于 5%，用膜法的費用也 僅為吸收法的 64.7%。 18天津大學(xué)科技成果選編 19 可以用于脫除酸性氣體的膜主要有液膜、無機膜和高分子膜，實際應(yīng)用中滿 足氣體分離要求的目前只有高分子膜。但普通的高分子膜也存在高的滲透性和選 擇性不能兼得的缺點。含有固定載體的促進傳遞膜兼具液膜和普通高分子膜的優(yōu) 勢，能同時具有高的分離系數(shù)和透過速率，而且穩(wěn)定性好，是一類很有發(fā)展前途 的氣體分離膜，已引起國際上研究者們的極大關(guān)注。 技術(shù)原理與工藝流程簡介：本研究成果合成了幾種對 CO2 具有促進傳遞作 用的固定載體膜材料，通過載體與 CO2 的相互作用促進 CO2 在膜內(nèi)的傳遞，因 而具有較高的滲透選擇性。同時由于載體是以化學(xué)鍵固定在高分子上，因此具有 很好的穩(wěn)定性。 本成果以自主開發(fā)的固定載體膜材料為分離層，以多種材質(zhì)的超濾膜為基膜， 制備了用于 CO2 分離的固定載體復(fù)合膜。所研制的復(fù)合膜，其 CO2/CH4 透過分 離性能處于世界領(lǐng)先水平。 技術(shù)水平及專利與獲獎情況：所制備的固定載體復(fù)合膜 CO2/CH4 分離因子 可達 100～300，CO2 滲透速率可達 10-6～10-5 cm3(STP)/cm2·s·cmHg。 本研究成果共獲得發(fā)明專利 3 項，分別為： 1. 用于酸性氣體分離的固定載體復(fù)合膜制備方法（專利號：ZL02148632.8） 2. CO2 氣體分離復(fù)合膜的制備方法（專利號：01144974.8） 3. 用于分離酸性氣體的固定載體復(fù)合膜制備方法（專利號：ZL02158530.X） 本成果與所在課題組其他成果一起，獲 2004 年度天津市自然科學(xué)獎一等獎 應(yīng)用前景分析及效益預(yù)測：本研究成果所開發(fā)的 CO2 分離膜制備技術(shù)其經(jīng) 濟效益是明顯的。首先，采用 CO2 膜分離可以降低我國能源生產(chǎn)的成本。我國 目前的天然氣產(chǎn)量已經(jīng)超過 300 億 m3，若其中的 10%以膜分離方法來進行凈化， 則需要約 12 萬 m2 的膜才能滿足需要，與傳統(tǒng)方法相比每年可節(jié)約 4000 萬元。 此外，由于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的需要，采用城市生活垃圾和其他工業(yè)垃圾生 產(chǎn)沼氣近年來得到了迅速發(fā)展。至今，我國已建設(shè)了大中型沼氣池 3 萬多個，總 容積超過 137 萬 m3，年產(chǎn)沼氣 5.5 億 m3，采用膜分離技術(shù)處理這些沼氣也需要 大量的 CO2 分離膜。最后，隨著海上油氣資源的開發(fā)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氣肥的大 量使用，對 CO2 分離膜的需求和產(chǎn)生的效益也很大。天津大學(xué)科技成果選編 應(yīng)用領(lǐng)域： 1. 天然氣、沼氣的凈化； 2. 三次采油中的 CO2 回收； 3. 密閉空間中的 CO2 脫除； 4. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氣肥的使用。 該項目需要以下條件： 1. 聚合物合成的相關(guān)設(shè)備及原料：反應(yīng)釜，冷卻裝置等。 2. 復(fù)合膜加工設(shè)備及原料：涂膜機，干燥器，膜交聯(lián)設(shè)備，交聯(lián)劑等。 3. 膜組件加工設(shè)備及原料。 4. 需要廠房面積大于 1000m2。 合作方式及條件： 由天津大學(xué)提供膜材料合成、復(fù)合膜制備、交聯(lián)等相關(guān)技術(shù)，由合作方提供 廠房、設(shè)備、原材料及相關(guān)的人員配套。 

膜法口罩的核心是高性能空氣凈化膜材料，該材料具有由納米纖維構(gòu)成的三維類蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成的微孔尺寸可控制在0.1到0.5微米范圍內(nèi)，能有效過濾99%以上的非油性顆粒，有效攔截各種固體氣溶膠、飛沫和病毒，同時具有良好的透氣性，不會產(chǎn)生呼吸的不適感。空氣凈化膜材料除了可用于制作口罩外，還可以用于空氣凈化器、醫(yī)療防護服等領(lǐng)域。基于膜材料制作的防護服，具有良好的抗菌拒水性能，是醫(yī)療防護中等級最高的醫(yī)用防護服，它的特點是人體的汗氣可以向外散發(fā)，而外面的水和細菌病毒等不能進入，且具有優(yōu)異的耐老化、耐消毒等性能，可經(jīng)常消毒殺菌。 在工業(yè)領(lǐng)域空氣凈化膜用于煙塵的超低排放控制，已經(jīng)推廣應(yīng)用了上百套工程裝備，產(chǎn)生經(jīng)濟效益二十多億元，先后獲得中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明一等獎、中國膜工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)一等獎、侯德榜化工科學(xué)技術(shù)青年獎等獎勵。?????以空氣凈化膜為核心濾材的5萬口罩已經(jīng)在南京市江北新區(qū)、浦口區(qū)多家政府機構(gòu)、江蘇省膜產(chǎn)業(yè)園入園企業(yè)等上百家單位使用，為堅持在防疫一線工作的人員提供了有力保障。在南京市政府召開的防疫物資主題會議上，空氣凈化膜技術(shù)受到了南京市工信局、科技局等部門的高度重視，。

壓電駐極體是具有強壓電效應(yīng)的柔性駐極體材料，因其表現(xiàn)出“類鐵電性”和，也稱為鐵電駐極體，是一類新型的人工智能和新能源材料。它的壓電性源于雙極性空間電荷在聚合物基體上的取向排列，以及材料特殊的微孔結(jié)構(gòu)。壓電駐極體膜是具有強壓電效應(yīng)的新型柔性壓電功能膜，與傳統(tǒng)壓電材料的壓電效應(yīng)起源有本質(zhì)區(qū)別。 與壓電陶瓷和傳統(tǒng)的鐵電聚合物（例如聚偏氟乙烯PVDF及其共聚物）相比較，壓電駐極體具有一些獨特的性能：壓電駐極體在提高壓電活性的同時還擁有聚合物的高柔韌性、薄膜型（厚度可低至40µm）、超輕（體密度可低至330kg/m3）、低成本、低電容率、可大面積成形，以及低聲阻抗（0.03MRayl）等特點。經(jīng)過特殊工藝制備的壓電駐極體薄膜的準靜態(tài)壓電系數(shù)d33高達1000pC/N，這一數(shù)值遠遠高于PVDF（約25 pC/N）及其共聚物P(VDF/TrFE)。因此，壓電駐極體組合了壓電陶瓷和鐵電聚合物薄膜各自的優(yōu)點，在國防、醫(yī)療、航空航天、綠色能源（例如寬頻帶振動能量采集器、生物運動能量采集、海浪發(fā)電等）、控制、通訊（例如自供能微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)）、智能結(jié)構(gòu)、電聲換能器、空氣耦合超聲換能器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室王小英教授團隊提出一種由天然高分子和無機材料納米雜化獲得的冠狀病毒防護材料，實現(xiàn)快速成膜，在口罩和防護服的最外層形成一層具有抗菌抗病毒效果的透氣防護層。此外，針對醫(yī)護人員長期帶口罩而產(chǎn)生的疼痛、麻木、壓紅，甚至破損等問題，使用改性天然高分子和無機抗菌材料復(fù)合的超薄海綿作為防護夾層，實現(xiàn)集抗細菌感染、快速愈合和平衡修復(fù)為一體的創(chuàng)面修復(fù)，該技術(shù)已與北京大學(xué)口腔醫(yī)院、南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院、廣州華僑醫(yī)院等多家醫(yī)院開展了合作研究。 團隊研發(fā)的超薄海綿防護夾層點擊查看原文

智能隔熱調(diào)光復(fù)合膜，是將液晶和聚合物結(jié)合而成的一種具有電光響應(yīng)特性的膜材料，它主要工作在散射態(tài)和透明態(tài)之間。 智能隔熱調(diào)光復(fù)合膜研發(fā)團隊立足地域優(yōu)勢與獨特的人才優(yōu)勢，與江蘇柏鶴化工集團開展了長期的戰(zhàn)略合作，研發(fā)團隊利用多年的研發(fā)經(jīng)驗，構(gòu)建了智能隔熱調(diào)光復(fù)合膜研發(fā)平臺，通過多年的合作，構(gòu)建了一條產(chǎn)學(xué)研的聯(lián)合道路，開創(chuàng)了雙贏的局面。 研發(fā)團隊通過多年實驗探索，制備出低驅(qū)動電壓、高對比度、耐黃變性能優(yōu)異的智能隔熱調(diào)光復(fù)合膜，有著優(yōu)良的光學(xué)性能和極強的實效穩(wěn)定性。 目前智能隔熱調(diào)光復(fù)合膜開始邁向批量生產(chǎn)階段，可替代進口產(chǎn)品。 主要技術(shù)指標： 應(yīng)用范圍： 電致變色智能窗在電場作用下具有光吸收透過的可調(diào)節(jié)性，可選擇地吸收或反射外界的熱輻射和阻止內(nèi)部熱擴散，減少辦公大樓和民用住宅等建筑物在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須耗費的大量能源。同時，也起到改善自然光照程度、防窺、防眩目等作用。可減少室外遮光設(shè)施、滿足現(xiàn)在建筑物采光和美觀的需要，解決現(xiàn)代不斷惡化的城市光污染的問題。此外，電致變色智能窗在飛機、汽車等方面也有很大的應(yīng)用前景。 以建筑行業(yè)為例，我國建筑能耗占社會總能耗的三分之一以上，引起的溫室氣體排放率已達到25%。通過窗玻璃的熱交換在夏天和冬天分別占到總能量交換的71%和48%，是外圍結(jié)構(gòu)中最突出的能耗“集散地”。若合理利用智能隔熱調(diào)光復(fù)合膜，民用建筑和公共建筑可分別節(jié)能約20%和12%，市場需求巨大。

本項目選擇化學(xué)穩(wěn)定性強的聚合物制造中空纖維膜底膜，通過合理的鑄膜液配方與紡絲工藝設(shè)計，使膜絲呈完整非對稱性結(jié)構(gòu)，既具有良好的分離精度，又有較大的滲透通量。進一步地，通過特殊的涂覆工藝，將PDMS或類似的耐溶劑物質(zhì)涂覆到中空纖維底膜的孔壁上，最終形成耐溶劑效果優(yōu)越的中空纖維復(fù)合膜。在進行組件封裝時，也選用耐溶劑類型的膠水澆鑄組件，確保產(chǎn)品能長期應(yīng)用于有機溶劑體系的除雜凈化或溶劑回收。

平板膜生物反應(yīng)器的性能指標全部達到上述“膜生物反應(yīng)裝置”的界定描述條件要 求。 利用自主研制的核心膜組件、膜單元、膜支架，及相應(yīng)的平板膜生物反應(yīng)器設(shè)計、 運行調(diào)試技術(shù)，課題組已經(jīng)建立了兩個示范工程，其中，白龍港水質(zhì)凈化廠中的中水回 用項目為目前報道的國內(nèi)最大平板膜生物反應(yīng)器應(yīng)用項目。 課題組為目前國內(nèi)唯一掌握平板膜生產(chǎn)、平板膜組件制作、膜組件性能評價、膜生物反 應(yīng)器設(shè)計、污水處理整體工藝流程設(shè)計、膜生物反應(yīng)器調(diào)試、清洗和運行管理整套技術(shù) 的單位。 

1.工藝過程及設(shè)備 （1）制備原理：在基體材料表面浸涂液體，經(jīng)過低溫干燥，形成多功能陶瓷保護，保護薄膜與基體材料為分子間結(jié)合，構(gòu)成牢固結(jié)合的整體。 （2）工藝過程：對需要制膜的基體材料或部件進行清洗—涂覆陶瓷膜涂覆液—低溫干燥。 （3）投資特點：生產(chǎn)模式?jīng)Q定設(shè)備投資，最小規(guī)模的非自動化生產(chǎn)模式，設(shè)備投資10-15萬元（不包括廠房基礎(chǔ)建設(shè)），大規(guī)模的自動化生產(chǎn)模式，設(shè)備投資約600萬元。 （4）設(shè)備：基體材料、零部件清洗設(shè)備；噴涂、浸涂或刷涂設(shè)備；干燥設(shè)備；中間運輸傳送設(shè)備；車間要求無塵干燥。 2.膜的功能及特點 （1）高硬度及良好的耐磨性：多功能陶瓷保護膜具有比鋼鐵等金屬材料更高的硬度，涂于非金屬材料、金屬材料及其零部件上能防止其表面被磨損。 （2）良好的耐腐蝕性：多功能陶瓷保護膜具有良好的耐鹽霧腐蝕、耐酸堿腐蝕、和耐氧化腐蝕的能力，可以避免鋼鐵表面的腐蝕和銹蝕，可以避免鋁、銅等有色金屬表面因腐蝕而失去原有光澤。 （3）任意可調(diào)的表面顏色：多功能陶瓷保護膜為無色透明膜，涂于金屬、非金屬表面能顯示其原有材料的品質(zhì)，也可以加入顏色，使基材顯示出比原表面更加亮麗的色彩。 （4）可用于任意的基材：多功能陶瓷保護膜與各種基材表面都具有良好的結(jié)合性能，可制備于各種金屬和非金屬表面。 （5）良好的耐高溫特性：多功能陶瓷保護膜具有良好的耐高溫性能，不會因為高溫、輻照而老化、變性、脫落而失去原有的保護能力。 （6）良好的韌性：多功能陶瓷保護膜具有良好的韌性，制備于金屬表面不會因為金屬部件的彎曲而破裂，制備于玻璃等脆性非金屬材料表面能提高其韌性，減少脆性損壞。 （7）美觀特性：多功能陶瓷保護膜具有良好的平流特性，涂在基體材料表面能夠形成平滑的表面，掩蓋原表面的微觀不平的形貌，使其美觀亮麗。 （8）任意可調(diào)的膜厚：多功能陶瓷保護膜膜厚可在1-50微米范圍內(nèi)變動，對于需要保持緊密尺寸的零部件，可以涂薄層膜，其余情況可以根據(jù)需要涂覆多層膜，以達到需要功能目的厚度。 應(yīng)用范圍： （1）用于裝飾性鋁合金：裝飾性鋁合金表面受到大氣的腐蝕會變色，一些裝飾性鋁合金部件在使用過程中還會經(jīng)受不同酸堿度的洗滌液的清洗和人工的擦拭，在其表面留下小的腐蝕痕跡，慢慢改變其表面狀態(tài)，失去它初始時的光澤和裝飾效果。在裝飾性鋁合金表面制備多功能陶瓷保護膜，可以有效的保護裝飾性鋁合金表面，經(jīng)長期使用和不同酸堿洗滌液清洗而不改變其初始光澤。 （2）用于裝飾性銅合金：銅合金由于其金黃色的表面，經(jīng)常被用作為裝飾性的部件使用，但由于其在空氣的氧化作用，隨著使用時間的延長，顏色會逐步變暗，從而失去其裝飾性的功能。在裝飾性銅合金表面制備多功能陶瓷保護膜，可以有效地隔離銅合金表面與外界氣氛的接觸，從而能長久的保持其金黃色的初始的表面，同時，由于多功能陶瓷保護膜的制備過程的平流特性，能掩蓋裝飾性銅合金表面的微觀不平，使裝飾性銅合金看起來更加有光澤。 （3）用于鋼鐵材料表面：鋼鐵材料一個共同的特點，就是容易生銹，雖然不銹鋼可以解決這一問題，但畢竟其價格和性能的關(guān)系，大部分的鋼鐵材料還都是以非不銹鋼的狀態(tài)使用，防止其生銹就成為必然的問題。在鋼鐵材料表面制備無色透明的多功能陶瓷保護膜可以有效地隔離鋼鐵表面與大氣的接觸，有效的解決氧化生銹的問題，還保留了鋼鐵的原始表面，同時，由于多功能陶瓷保護膜的膜厚可以在1-50微米內(nèi)選擇，即使精密的零部件也不會因為增加了膜而需要改變其裝配關(guān)系。 （4）用于玻璃容器表面：多功能陶瓷保護膜既有硬度又有柔韌性和潤滑性，制備于啤酒瓶等玻璃容器表面，會減少瓶罐間劃傷以及外部的劃傷，同時使瓶罐的耐內(nèi)壓強度、耐沖擊強度都有大幅度的提高，耐內(nèi)壓強度提高25%以上。 （5）用于著色的目的：多功能陶瓷保護膜具有著色功能，制備于醫(yī)用及化學(xué)用玻璃瓶上，可以達到避光的目的，同時因為膜的著色元素含量很少，這些玻璃瓶熔化再造時仍然是無色玻璃，從資源利用和減少能耗方面說是有利的。多功能陶瓷保護膜也可以用在其它只需要滿足著色功能的表面，如窗玻璃等。 （6）用于工藝品：工藝品需要解決的一個問題是其初始外觀經(jīng)長時間擺設(shè)能不改變，另一個問題是看起來晶瑩亮麗，在工藝品表面制備多功能陶瓷保護膜，由于其透明的特點和平流特性，可以使工藝品看起來比原件更加晶瑩亮麗，同時，其良好的防腐保護特性，能免于工藝品受到大氣的腐蝕，使它經(jīng)長時間擺設(shè)而不改變初始外觀。

該技術(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了低成本、高性能分子篩膜的規(guī)模化制備，獲得了能夠穩(wěn)定運行的膜分離裝備。與傳統(tǒng)精餾、吸附等技術(shù)相比，該技術(shù)可節(jié)約能耗50%以上。技術(shù)指標：該技術(shù)依據(jù)分離體系處理量的要求，設(shè)計不同膜面積的分離裝置，原料預(yù)處理方式等，開發(fā)出滲透汽化膜分離工藝。已在化工、生物醫(yī)藥等企業(yè)推廣工業(yè)裝置70余套，涉及甲醇、乙醇、異丙醇、乙腈、四氫呋喃等多種溶媒脫水，為企業(yè)創(chuàng)造出顯著的經(jīng)濟效益。在有機溶劑脫水領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。