聚酰胺酰亚胺/聚醚酰亚胺复合膜的可控设计与介观模拟：面向高效气体分离的优化策略

本研究针对传统气体分离技术能耗高、聚合物膜选择性不足的问题，通过实验与介观模型相结合的方法，系统探究了聚酰胺酰亚胺(PAI)/聚醚酰亚胺(PEI)复合膜的制备与热解行为。研究发现，25/75 wt.% PAI/PEI混合膜在800°C热解后形成3.7 ?孔径的非对称结构，兼具疏水性(接触角75°)与优异气体渗透性能。通过Flory-Huggins模型(χ=2, Np=69)优化热解参数，结合介观模拟验证，为工业气体纯化提供了高性能碳膜设计新范式。

　　

气体分离是化工、能源和环境领域的关键技术，但传统方法如低温蒸馏和变压吸附存在能耗高、设备复杂等瓶颈。尽管聚合物膜技术因能耗低、操作简便备受关注，但其普遍面临选择性(selectivity)与热稳定性难以兼得的困境。碳膜(carbon membrane)因其可调的孔隙结构和分子筛效应成为研究热点，但如何精准控制孔径分布、优化热解(pyrolysis)工艺仍是重大挑战。

针对这一难题，来自Solvay Chemicals的研究团队在《Polymer》发表研究，创新性地将聚酰胺酰亚胺(Polyamideimide, PAI)与聚醚酰亚胺(Polyetherimide, PEI)共混，通过实验与介观模型(mesoscale model)联用策略，开发出高性能气体分离膜。研究采用Flory-Huggins热力学模型分析相分离行为，结合X射线衍射(XRD)和接触角测量等表征技术，系统考察了不同混合比例(0-100 wt.%)和热解温度对膜性能的影响。

关键技术包括：1) 基于Flory-Huggins-Cahn-Hilliard框架的相场模拟(phase-field simulation)，参数设定为χ=2、聚合度N_p=69；2) 热诱导相分离(Thermally Induced Phase Separation, TIPS)工艺调控孔结构；3) 800°C控温热解制备碳膜；4) 通过元素分析和形貌表征验证模型预测。

Results and discussion
研究发现PAI/PEI(25/75 wt.%)混合膜在800°C热解后形成独特的非对称结构，XRD显示其层间距(d-spacing)为3.7 ?，恰好介于CO₂(3.3 ?)与CH₄(3.8 ?)分子尺寸之间，具备分子筛分潜力。接触角75°证实其疏水性(hydrophobicity)，可抑制水蒸气干扰。相场模拟成功预测了热解过程中聚合物聚集形成的蜂窝状(honeycomb)多孔结构，与扫描电镜观察结果高度吻合。

Conclusion
该研究证实：1) PAI/PEI(25/75 wt.%)混合比例在9%聚合物浓度下形成最优膜结构；2) 800°C热解温度可实现3.7 ?精准控孔；3) 介观建模显著减少实验试错成本。所获碳膜气体渗透性能超越文献报道值(选择性因子~8)，为工业级H₂/CO₂分离提供新方案。

这项工作的突破性在于将Flory-Huggins理论模型与实验验证深度结合，首次阐明PAI/PEI共混体系的热解动力学规律。通过调控热解参数(温度、升温速率、混合浓度)，实现了从聚合物前驱体到碳膜结构的可控制备，为下一代膜材料设计提供了"计算指导实验"的研发范式。研究者特别指出，该方法可推广至其他聚合物共混体系，对发展低碳分离技术具有重要战略意义。