Preparation of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane by nonsolvent-induced phase separation and investigation into its formation mechanism

par Chia-Ling Li

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de André Deratani.

Le jury était composé de André Deratani, Patrick Guenoun, Chi-An Dai, Denis Bouyer, Da-Ming Wang, Juin-Yih Lai, Chih-Chen Hsieh.

Les rapporteurs étaient Patrick Guenoun, Chi-An Dai.

  • Titre traduit

    Préparation de membranes en poly(vinylidene fluoride) (PVDF) par séparation de phase induite par un non-solvant et étude du mécanisme de formation


  • Résumé

    Cette thèse décrit comment la morphologie et le polymorphisme de membranes en fluorure de poly(vinylidène) (PVDF) préparées par séparation de phase induite par la vapeur d'eau (VIPS) et par un non-solvant liquide peuvent être ajustés par la température à laquelle le PVDF est dissous (Tdis) pour former la solution de coulée. Les résultats montrent que Tdis présente une transition, notée comme la température de dissolution critique (Tcri), à partir de laquelle la morphologie et le polymorphisme des membranes changent radicalement. Ce phénomène observé pour les trois solvants, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), and N,M-dimethylformamide (DMF), et les non-solvants (eau et une série d'alcools) utilisés dans cette étude peut être considéré comme général. La cristallisation a lieu avant la démixtion L-L quelle que soit Tdis. Pour une Tdis supérieure à Tcri, les membranes se présentent sous forme de nodules (cristallite forme beta) dont la taille décroît lorsque Tdis diminue. Ce domaine a été dénommé "à grossissement libre" car les chaînes de polymère peuvent cristalliser librement pendant la séparation de phase. Pour une Tdis inférieure à Tcri, des membranes avec une structure bi-continue (cristallite forme alpha) sont obtenues. Ce domaine a été appelé "à grossissement empêché" dans la mesure où la séparation de phase s'accompagne d'une gélification. Nous avons démontré que la morphologie et le polymorphisme cristallin des membranes de PVDF peuvent ainsi être contrôlés par la Tdis et la vitesse d'échange avec le non-solvant. Ces résultats sont interprétés en termes d'auto germination et de compétition entre gélification, cristallisation et démixtion L-L.


  • Résumé

    This dissertation shows how the morphology and polymorphism of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes prepared by using vapor-induced phase separation (VIPS) and liquid-induced phase separation (LIPS) were tuned by varying the dissolution temperature at which PVDF was dissolved (Tdis) to form the casting solution. We observed a transition temperature denoted by critical dissolution temperature, Tcri, across which the morphology and polymorphism of membranes (obtained by VIPS) drastically changed. The phenomenon was considered as general, as a Tcri was observed for all the three solvents N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), and N,N-dimethylformamide (DMF) and the non-solvents, water and a series of alcohols, used in the present study. No matter which Tdis we used, polymer crystallization occurred prior to the L-L demixing. With Tdis above Tcri, the prepared membranes were composed of nodules (mainly in beta crystalline form) and the size of polymer domains decreased as the Tdis decreased. Because the polymer chains could freely coarsen to a large domain during the phase separation, we called the system free coarsening. With Tdis below Tcri, membranes with lacy (bi-continuous) structure (mainly in alpha crystalline form) were obtained. Because the polymer solution gelled during the phase separation, we called the system hindered coarsening. It was proven that PVDF membrane morphology and crystalline polymorphs can be monitored by Tdis and the solvent-nonsolvent exchange rate. These results were discussed in terms of self-seeding effect and competition between the gelation, crystallisation and L-L demixing.

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