高分子分离膜
高分子分离膜与膜分离技术要点
H OH
n_ 2 2
H OH
OH H
H H
H
O OH
CH2OH
31
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。
C6H7O2 + (CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH
材料
（0.2 nm）
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过滤式膜分离
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材料
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2）渗析式膜分离
料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推 动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。
属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等。 电渗析（electrodialysis）
在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在 电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地分 离或富集
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材料
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电渗析过程
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材料
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阳极室 浓缩室 淡化室 浓缩室 阴极室
+ Cl-
+
+ Cl- Cl+ Na＋ + + 阳极 阳膜
－ Cl-
－
Na＋
Na＋
Na＋ Cl- －
Cl- Cl-
－ Na＋ －
Na＋
Na＋
－
阴膜 阳膜
阴膜
阴极
注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是
起离2020子/9/30 选择透过性作用。 材料
氮气高分子分离膜-概述说明以及解释
氮气高分子分离膜-概述说明以及解释1.引言1.1 概述氮气高分子分离膜作为一种重要的气体分离膜材料，具有在气体混合物中分离氮气的高效能力。
随着工业、化工等领域对气体纯度要求的不断提高，氮气高分子分离膜在气体分离和纯化领域的应用逐渐扩大。
本文将探讨氮气高分子分离膜的原理、应用领域以及制备方法，旨在深入了解这一领域的研究与发展现状，为相关领域的研究者和工程师提供参考和借鉴。
通过本文的阐述，读者将对氮气高分子分离膜的重要性及其在气体分离技术中的应用有更深入的了解。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构部分将详细介绍整篇文章的组织结构和内容安排。
首先，介绍整个文章的大纲，包括引言、正文和结论三个部分。
然后，对各个部分的主要内容进行简要描述，以便读者了解整篇文章的脉络和主题。
最后，指出各个部分之间的逻辑关系和联系，让读者能够更好地理解文章的结构和内容。
1.3 目的本文旨在对氮气高分子分离膜进行深入探讨，包括其原理、应用领域以及制备方法，旨在帮助读者更全面地了解和认识这一技术。
通过对氮气高分子分离膜的介绍，读者可以了解到这一膜的重要性和实用性，以及在不同领域中的广泛应用。
同时，我们也希望通过本文的撰写，为进一步研究和发展氮气高分子分离膜技术提供参考和借鉴。
愿本文对读者有所启发和帮助。
2.正文2.1 氮气高分子分离膜的原理氮气高分子分离膜的原理是基于分子尺寸选择性渗透和溶解度差异的作用。
这种膜的选择性通过控制透过膜的速率来实现，从而实现对氮气的有效分离。
氮气高分子分离膜通常采用聚合物材料制成，这些聚合物材料具有特定的孔隙结构和分子亲和力，使其只允许较小的氮气分子穿过膜。
在分离过程中，氮气分子会在高分子材料的孔隙中扩散，并选择性地透过膜，而较大的分子则会被拦截下来，从而实现氮气的分离。
此外，氮气高分子分离膜的原理还涉及到溶解度差异。
对于气体分子来说，溶解度是一个重要的因素，较易溶解的气体分子会更容易透过膜。
第五章 高分子分离膜与膜分离技术
5.2.1 多孔膜的分离机理
• 多孔膜的分离机理主要是筛分原理, 依膜表面平均孔径的 大小而区分为微滤(0.1-10µm)、超滤(2-100nm)、纳滤 (0.5-5nm),以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子。
• 多孔膜表面的孔径有一定的分布，一般来说, 分离膜的平 均孔径要小于被截留的溶质分子的分子尺寸。 这是由于 亲水性的多孔膜表面吸附有活动性、 相对较小的水分子 层而使有数孔径相应变小, 这种效应孔径愈小愈显著。
聚合物
溶剂
添加剂
均质制膜液
流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维
蒸出部分溶剂
凝固液浸渍
水洗
后处理
非对称膜
L—S法制备分离膜工艺流程框图
将制膜材料用溶剂形 成均相制膜液，在模具中 流涎成薄层，然后控制温 度和湿度，使溶液缓缓蒸 发，经过相转化就形成了 由液相转化为固相的膜。
复合制膜工艺：
多孔支持膜 涂覆
• 多孔膜主要用于混合物水溶液的分离,如渗析 (Dialysis,D)、微滤Microfiltration,MF)、超滤 (Ultrafiltration,UF)、纳滤(Nanofiltration,NF)和亲 和膜 (Affinity membrane,AfM)等;
• 致密膜用于电渗析(Electrodialysis, ED)、逆渗透 (Reverse osmosis,RO)、气体分离(Gas separation,GS)、 渗透汽化(Pervaporation, PV)、蒸气渗透(Vapor permeation,VP)等过程。
形成超薄膜的溶液
交联
交联剂
加热
形成超薄膜
亲水性高分子溶液的涂覆
复合膜
复合制膜工艺流程框图
高分子功能膜材料
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三、导电聚合物的结构特点及导电机理
• 所谓导电聚合物是由一些具有共扼二键的聚合物 经化学或电化学掺杂后形成的、导电率可从绝缘 体延伸到导体范围的一类高分子材料。 • 导电聚合物是完全不同于由金属或碳粉末与聚合 物共混而制成的导电塑料,它除了具有聚合物结构 外,还含有由掺杂入的一价对阴离子一型掺杂或对 阳离子一型掺杂,所 以通常导电聚合物的结构分为 聚合物链和与链非键合的一价对阴离子或对阳离 子两部分组成。导电聚合物除了具有高分子本身 特性之外,还兼具了因掺杂而带来的半导体或导体 的特性。
◆ 一般通过溶液浇铸法制备平板或管状超滤膜，以 纺丝法制备中空纤维超滤膜。 ◆ L-S相转化法是一种较为简单的制膜方法, 其工艺简单,操作方便,且用途广泛,可用来制备 各种形态的膜.目前大多数的工业用膜的制备工艺
(1)称取一定量预先干燥的聚合物溶入DMF中,加入 一定量的添加剂,通过搅拌使聚合物及其添加剂充 分溶解,制成均匀的铸膜液。 ◆ (2)过滤铸膜液,去除未溶解的杂质。 ◆ (3)静置24 h以上,以使铸膜液完全脱泡。 ◆ (4)用刮刀将铸膜液匀速涂在洁净、干燥的制膜板 上,于空气中放置一定时间,以挥发部分溶剂,然后, 将制膜板置于水凝结浴中。 ◆ (5)将基膜在水凝结浴中浸泡一定时间后,取出基 膜进行系列表征。
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二、高分子功能膜分类
混合物分离膜 使用功能划分 药物释放缓释膜 分隔作用保护膜 气体分离膜 液体分离膜 根据被分离物质性质 固体分离膜 离子分离膜 微生物分离膜 被分离物质粒度大小 超细滤膜、超滤膜、微滤膜
熔融拉伸膜
高 分 子 功 能 膜
膜形成过程
根据膜性质
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被截留的溶质分子的分子尺寸。这是由于亲水性的多孔膜表面吸附有 活动性、相对较小的水分子层而使有效孔径相应变小，这种效应孔径 愈小愈显著。 表面荷电的多孔膜可以在表面吸附一层以上的对离子，因而荷点膜 的有效孔径比一般多孔膜更小。
高分子膜概述
高分子膜概述一、高分子膜的分类根据孔径尺寸，分离膜可分为微滤（Microfiltration，MF）膜、超滤（Ultrafiltration，UF）膜、纳滤（Nanofiltration，NF）膜和反渗透（Reverse osmosis，RO）膜。
MF膜的孔径尺寸大于50nm，可用于去除悬浮固体、原生动物和细菌等。
UF膜的孔径尺寸为2～50nm，主要用于去除病毒和胶体。
具有纳米孔的NF膜和RO膜可去除溶解的盐离子，是主流的脱盐膜。
RO膜的结构最为致密，其孔径尺寸为0.3～0.6nm，具有很高的NaCl脱盐率（>98％），而NF膜结构更为疏松，孔径尺寸小于等于2nm，通常被称为“低压RO膜”，对NaCl脱盐率较），同时具有更高低（20％～80％），主要用于脱除高价离子（Ca2+、Mg2+和SO2-4的水通量。
二、高分子膜的结构和制备MF/UF多孔高分子膜可独立用于废水处理或作为NF膜和RO膜脱盐过程的预处理。
高分子MF膜和UF膜是应用最广泛的，其主要的制备成膜工艺是相转化法。
MF膜的截面孔分布可以是对称的或是非对称的，对称的MF膜截面孔径变化不明显，膜的厚度是影响其过滤分离性能的主要因素。
非对称的MF膜是由孔径小的表面分离层和孔径大的支撑层组成的，分离层的孔结构和厚度决定了膜整体的过滤分离性能。
UF膜的结构通常是非对称的，如图2-1所示，由开孔的底部支撑层和相对致密的表层构成，支撑层和表层属于同一种材料。
表层起到主要的分离作用，支撑层可使水溶液无阻碍地跨膜传输。
图2-1 聚砜UF膜的SEM照片平板MF/UF膜主要通过相转化法制备，以无纺布作为基底，提高膜的力学强度。
相转化法是指将含有聚合物和溶剂的均相聚合物溶液浸入非溶剂凝固浴中，并在可混溶的溶剂和非溶剂交换过程中发生聚合物固化。
此方法制备的膜的特性可通过改变浇铸条件、聚合物种类、聚合物浓度，溶剂/非溶剂体系和添加剂以及凝固浴条件实现调控。
目前MF/UF高分子膜材料主要包括醋酸纤维素（Cellulose Acetate，CA）、聚砜（Polysulfone，PSF）、聚醚砜（Polyethersulfone，PES）、聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）和聚偏二氟乙烯（Polyvinylidine Fluoride，PVDF）等。
功能高分子化学离子交换膜与分离膜概述
• 脱盐或纯化
• 水解
• 浓缩或分离
• 复分解
• 置换
• 电解、氧化、还原以及电化合成
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功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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电渗析器，异相离子交换膜引自2020/11/26功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
N a+ S O 3-N a+
C lS O 3-N a+
N a+
N a+
C lN a+
磺 酸 型 阳 膜 在 N aC l稀 溶 液 中 平 衡 示 意 图 R SO - 固 定 基 团 ； Na+ 解 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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图例7
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N a+
苯 乙 烯 -二 乙 烯 基 苯 共 聚 物 N a+
_ 3
+
S
O
_ 3
+
磺酸型阳离子交换膜的膜体结构示意图 R SO2 固 定 基 团 ； + 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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图例4
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磺 酸 型 阳 离 子 交 换 膜 曲 折 通 道 示 意 图
R S O 2 固 定 基 团 ；+ 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
C l-
C O 3-N a+
C l-
C l-
S O 3-N a+
N a+
C l-
C l-
高分子分离膜
超滤膜：不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。
表面活性层：致密光滑，厚度，细孔孔径小于10nm
超滤 膜
过渡层：细孔大于10nm，厚度1-10μm
支撑层：厚度50-250μm，孔径大于10nm。起支撑作用，提高机械强度
性能主要取决于表面活性层和过渡层
超滤膜技术应用
超滤技术主要用于含分子量500-500,000的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，应用领域涉及化 工、食品、医药、生化
3.4 高分子分离膜的制备方法
膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。 合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。
制备方法
烧结法 拉伸法 径迹刻蚀法 相转化法 复合膜化法
多孔膜 最实用
1. 烧结法
将聚合物的微粒通过烧结形成多孔膜
聚合物的微粒
微孔膜的缺点： 颗粒容量较小，易被堵塞
微滤的应用
微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。 微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。 气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生 物，都可借助微孔膜去除。
实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。
日本： 纤维素酯类膜：53％， 聚砜膜：33.3％， 聚酰胺膜：11.7％， 其他：2％
材料
纤维 素
二醋酸纤维素 (CDA)、三醋酸纤维素 (CTA)、硝化 纤维素(CN)，混合纤维素(CN-CA)、乙基纤维素 (EC)等。
特点
高分子分离膜的应用.
高分子分离膜的应用学校名称：华南农业大学院系名称：材料与能源学院时间：2017年2月27日膜分离这项技术历经多半个多世界的研究与发展,该项技术的水平越来越完善和成熟,作为一项近些年来才出现并得到各个行业充分重视和利用的高新技术,在石油化工,医学制药,食品行业,生物工程和饮用水处理工程等多个行业和领域都得到了广泛的利用。
1.在生物制药中的应用植物提取液多为含有大量胶体、悬浮颗粒、大分子及可溶性成分组成的混合液。
因此，植物提取液都存在着澄清过滤、分离纯化及浓缩过程，目前植物提取行业大都采用“原料预处理-除菌除杂澄清过程-分离纯化-浓缩及制剂过程”工艺路线，采用板框压滤、树脂分离、溶剂萃取、热浓缩等传统工艺来制备植物提取产物，对于植物提取产物的质量不稳定、有效成分纯度较低、易破坏热敏性物质等活性成分、耗费大量有机溶剂以及耗时耗能等问题仍然存在，而植物提取产物的应用取决于其色泽、气味、状态及功效的稳定性是否达标。
针对传统工艺中存在的不足，许多专家学者对植物提取产物的膜分离进行了广泛深入的研究，从中提取分离有效成分，并研究膜分离集成、联用技术在植物提取产物分离纯化过程中的效益，发现不少植物提取产物的得率及产品纯度、质量稳定性、有效成分的功效性均有显著的提高。
2.在海水淡化中的应用水资源是关系国家经济发展和社会进步的重大战略问题，海水淡化是解决水资源短缺问题的重要举措。
目前，膜法海水淡化日益成为海水淡化的主流技术，主要有已经获得大规模应用的反渗透（ＲＯ）、正在发展中的正渗透（ＦＯ）和膜蒸馏（ＭＤ）等技术。
芳香聚酰胺反渗透膜的出现使反渗透技术商业化，但能耗（每立方米淡水生产耗能3.6～5.7KW/h）和运行成本较高依然是反渗透应用过程中的制约因素。
正渗透过程几乎不需要外部压力，在海水淡化领域应用潜力巨大，然而，目前正渗透膜材料研发相对落后，与传统的聚酰胺、醋酸纤维素反渗透膜相比，商品化正渗透膜在脱盐率、水通量方面仍然有较大差距。
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聚烯烃类
LDPE和PP薄膜通过拉伸可以制造微孔滤膜。 HDPE通过加热烧结可以制成微孔滤板或滤芯，它也可以 作为分离膜的支撑材料。
聚酯类
聚酯类树脂强度高，尺寸稳定性好，耐热、耐溶剂和化学 品的性能良好。 聚碳酸酯薄膜广泛用于制造经放射性物质辐射、再用化学 试剂腐蚀的微滤膜。 聚四溴碳酸酯由于透气速率和氧、氮透过选择性均较高， 已被用作新一代的富氧气体分离膜材料。 聚酯无纺布是反渗透、气体分离、渗透汽化、超滤、微滤 等一切卷式膜组件最主要的支撑底材。
主讲人： 第四组 成员：宋晓松 白思杰 刘晓丹 刘乔
目录
引言 分类 前景展望
引言
用天然或人工合成的无机或有机薄膜，以外界能量或化学 位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、 分级、提纯和富集的方法统称为膜分离法。 随着膜分离科学与技术的发展，膜分离越来越多的应用在 水处理行业包括海水淡化、污/废水处理、纯净水等，石 化行业包括石油产品分离、有机物脱水纯化等，食品医药 生物行业等领域。 膜分离技术是利用分离膜的选择透过性对分离对象进行分 离和提纯的技术，此技术具有高效、节能、投资少、污染 小的特点，被誉为“绿色”技术。也成为如今能减排大潮 中的关键和重要技术之。
纤维素酯类膜材料
醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸纤维素主要用于反渗透膜材料，也用于制造超滤膜和 微滤膜。醋酸纤维素膜价格便宜，膜的分离和透过的性能 良好，但其PH使用范围较窄（4~8），在高温和酸、碱存 在下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离效率 和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合 物来制模，也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来 制模。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好 的膜材料。[附：透过速度（单位时间内流体通过膜的 量）、分离系数（不同物质透过系数之比）和对某种物质 的截留率是衡量模性能的重要指标。]
聚 聚砜(PPO)、聚醚砜 (PES)微 具有良好的化学稳定性和热稳 砜 滤膜 定性，耐辐射，机械强度较高。
含 聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚四 氟 氟乙烯膜(PTFE)、聚全氟磺 材 酸 料 化学稳定性好，耐高温。如 PTFE（聚四氟乙烯）膜，40～260oC，可耐强酸，强碱 和各种有机溶剂。具疏水性， 可用于过滤蒸气及腐蚀性液体。
纤维素酯类膜材料
硝酸纤维素是由纤维素和硝酸制成的。价格便宜，广泛用 作透析膜和微滤膜材料。 再生纤维素是由纤维素溶液或纤维素衍生物再生的纤维素。 广泛用于 人工肾脏透析膜材料和微滤、超滤膜材料。
聚砜类
｜ 聚砜结构中的特征基团为O=S=O，为了引入亲水基团，
｜
常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。 聚砜类常用的制模溶剂有：二甲基酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。 聚砜类具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高， PH值使用范围为1~13，最高使用温度达120℃，抗氧化 性和抗氯性都十分优良，可用作超滤和微滤膜材料。
海水淡化
工业废水处理 城市废水资源化 天然气 水资源
生物利用 能源
燃料电池
膜
传统工业 冶金 制药 食品 化工与石化 电子
CO2控制
生态环境 除尘 洁净燃烧
以压力差为推动力，截留离子物质仅透过溶剂
反渗透
血液透析
尿毒症 药物中毒患者
高分子分离膜材料
原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备
聚酰胺类及聚酰亚胺类
成的中 空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％~90％之间，但透水率很 低，仅0.076ml/c㎡.h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们支撑的分 离膜，PH使用范围为3~11，分离率可达99.5％（对盐水），透水率 为0.6ml/c㎡.h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故 这种膜对水中的游离氯有较高要求。 聚酰亚胺耐高温、耐溶剂，具有高强度。一直用于耐溶剂超滤膜和非 水溶液分离膜研制的首选膜材料。在气体 分离和空气除湿膜材料中， 它亦具有自己的特色。
材料
纤 二醋酸纤维素 (CDA)、三醋 维 酸纤维素 (CTA)、硝化纤维 素 素(CN)，混合纤维素(CNCA)、乙基纤维素(EC)等。 聚 尼龙-6(NY-6)、尼龙-66(NY酰 66)、芳香聚酰胺(PI)、芳香 胺 聚酰胺酰肼(PPP)、聚苯砜 对苯二甲酰(PSA)
特点
成孔性、亲水性好、价廉易得， 使用温度范围较广，可耐稀酸， 不适用于酮类，酯类、强酸和 碱类等液体的过滤。 具亲水性能，较耐碱而不耐酸， 在酮、酚、醚及高相对分子质 量醇类中，不易被浸蚀，孔径 型号也较多。
分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这 主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。 此外，也取决于膜的制备技术。 目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、 聚酰胺类及其他材料。以日本为例，纤维素酯类膜占53％， 聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％， 可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位
纤维素酯类膜材料
纤维素是有几千个椅式构型的葡萄糖基通过1，4-β-甙链（缩醛链）连接起来的 天然线性高分子化合物，其结构式为：
纤维素酯类膜材料
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如 硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐 进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素: C6H7O2(OH)3+(CH3CO)2O=C6H7O2(OCOCH3)2+H2O C6H7O2(OH)3+3(CH3CO)2O=C6H7O2(OCOCH3)3+3CH3 COOH
分类
纤维素衍生物类：再生纤维素、醋酸纤维素、硝酸纤维 素、乙基纤维素及其他纤维素衍生类
聚砜类：双酚A型聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚苯硫醚砜 等 聚酰胺类及聚酰亚胺类 聚酯类：涤纶、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯等 聚烯烃类：聚乙烯、聚丙烯、聚4-甲基-1-戊烯 乙烯基类高聚物：聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚 偏氯乙烯等