Global_Commercial_Aircrafts_Gas_Turbine_Engine_Market_2012-2016.pdf

142
UNIVERSITY OF CINCINNATI Date:___________________ I, _________________________________________________________, hereby submit this work as part of the requirements for the degree of: in: It is entitled: This work and its defense approved by: Chair: _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________

Transcript of Global_Commercial_Aircrafts_Gas_Turbine_Engine_Market_2012-2016.pdf

UNIVERSITY OF CINCINNATI Date:___________________

I, _________________________________________________________, hereby submit this work as part of the requirements for the degree of:

in:

It is entitled:

This work and its defense approved by:

Chair: _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________

  

Processing & Permeability of Polyimide-Clay Nanocomposite

Membranes

A thesis submitted to the Division of Research and Advanced Studies

University of Cincinnati

In partial fulfillment of the requirements for the degree of

Master of Science

In Department of Chemical and Materials Engineering

At the College of Engineering

University of Cincinnati

Advisor: Dr. Jude O. Iroh

2009

By Wenchao Zhang

B.E.: Materials Science and Engineering,

Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China, 2006

  

Abstract 

Different concentration of Organoclay and PANi-Clay reinforced Polyimide

nanocomposite membranes were studied for the processing and permeation behavior of

water and ethanol. Membranes were prepared by solution casting with 1‐Methyl‐2‐

Pyrrolidone (NMP) as the solvent. The Organoclay used is Cloisite 20 A montmorillonite 

containing  an  alkylated  quaternary  ammonium  ion  2H2T.  PANi‐Clay was  prepared  by 

former group member Dr. Yanrong Zhu at year 2002.  

The concentration of Organoclay  is from 0.01% to 5.00% and 0.01% to 0.50% for PANi‐

Clay.  The  free  standing  films  were  of  a  thin  thickness  from  70  to  100  µm. The

imidization temperature varied from 65 ˚C to 250˚C, and related diffusion behaviors were

studied. The permeation set up consisted of a U shaped diffusion cell with two vertical

capillary cylindrical tubes anchored on each cylindrical chamber as a reservoir. One

chamber was filled by pure water and the other was filled by ethanol/water mixture (5:95,

V: V). Chambers were separated by Polyimide nanocomposite membranes.

The effect of concentration of Organoclay and PANi-Clay on permeation was studied in

this study. The diffusion of water from water chamber took place in most membranes and

continued for at least one week. Diffusion did not happen for fully imidized membranesat

high temperature as 250 oC. Small amount of Organoclay will influence the stability and

permeation property. The flux through Organoclay reinforced membranes increased with

increased Organoclay weight percent up to 0.25% loading beyond which a drastic

  

decrease in the flux occurred for any further increase in the weight percent of

Organoclay. Accordingly, the diffusion coefficient of the Orgnoclay reinforced

membranes increased with increased weight percent of Organoclay from 1.73 x 10-10 cm2

s-1 for the neat PI membrane to 9.57 x 10-10 cm2 s-1 for 0.25 % Organoclay. The

permeability shows the mass transferring in the composite membranes is highly

dependent on the Organoclay loading level but exhibits a nonlinear dependency.

The incorporation of PANi-Clay showed similar behaviors of Organoclay with lower

permeability. However, the dependency of PANi-Clay is more linear comparing to

Organoclay, the diffusion coefficient increases as PANi-Clay load level increases. PANi-

Clay reinforced membranes show longer life than Organoclay modified membranes. Both

permeation results inspire us to separate ethanol from water with optimized polyimide

nanocomposites with proper fillers. The mechanisms of permeation were attempted to be

studied by FTIR and SEM. The different effects of Organoclay and PANi-Clay on

rheological properties were also discussed.

KEYWORDS: Nanotechnology, Separation, Ethanol/Water, Polyimide, Organoclay,

PANi-Clay

  

   

I  

 

Acknowledgements 

I would  like  to  take  this opportunity  to express my gratitude  to  the people who have 

helped me for my study over the past two years at University of Cincinnati. 

First I would thank my advisor Dr. Jude O. Iroh. I cannot finish my research so quick and 

efficient without his kind and wise guide.  I  learned a  lot  from him  for his patient and 

long‐term help.  I would  like to say “Thank you” sincere to him for not only  leading me 

into the fascinating area of polyimide nanocomposite research, but also kindly providing 

me moral support and academic guidance, which will  immensely be of benefit to both 

my personal and career development. 

Second  I would thank my graduate committee: Dr. Steve J. Clarson, Dr. Joo‐Youp   Lee, 

Dr.  Raj. Manglik  and  Dr.  Gregory  Beaucage  for  taking  their  precious  time  to  be my 

committee out of  their busy schedules  reviewing my  thesis and giving suggestions  for 

my future work. 

Special thanks  to Dr. Steve  J. Clarson. Thank you  for your permission using  facilities  in 

your lab and offer me to finish my research for this interesting area. Thank you. 

Thank Mary and  Jia Wang  to  continue my work  in  the  future. Also  I would  thank Dr. 

Doug, Dr. Vane Leland, Serhan Oztemiz and Poojari, thank you all for your help with my 

research.  

II  

Table of Contents Processing & Permeability of Polyimide-Clay Nanocomposite Membranes ..................... 1 

Abstract ............................................................................................................................... 2 

Acknowledgements .............................................................................................................. I 

Chapter 1 Introduction ....................................................................................................... 1 

1.1 Fermentation Products ............................................................................................. 1 

1.2 Membranes ............................................................................................................... 2 

1.3 Polyimide................................................................................................................... 3 

1.4 Clay ............................................................................................................................ 8 

1.5 Polyimide‐Clay nanocomposite ................................................................................ 9 

Chapter 2: Experimental ................................................................................................... 11 

2.1 Materials ................................................................................................................. 11 

2.2 Membranes Preparation ......................................................................................... 12 

2.3 Diffusion Test .......................................................................................................... 14 

2.4 Characterization Technologies ................................................................................ 15 

2.4.1 Brookfield Viscometry .................................................................................................. 15 

2.4.2 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) .......................................................... 16 

2.4.3 Scanning Electron Microscopy (SEM) ........................................................................... 16 

2.4.4 Concentration Measurement ....................................................................................... 16 

Chapter 3 Results and Discussion ..................................................................................... 17 

3.0 Temperature of Membranes Synthesis .................................................................. 17 

III  

3.1 Shear Viscosity ........................................................................................................ 17 

3.1.1 Effect of Temperature on Shear Viscosity .................................................................... 18 

3.1.2 Effect of Clay on Shear Viscosity .................................................................................. 19 

3.1.3 Effect of Shear Rates on Shear Viscosity ...................................................................... 21 

3.1.4 Effect of Shear Stress on Shear Viscosity ..................................................................... 22 

3.1.5 Effect of Reinforcements .............................................................................................. 22 

3.2 Diffusion Model ...................................................................................................... 23 

3.2.1 Fick’s Second Law ......................................................................................................... 23 

3.2.2 Square‐root relationship[88‐92] ....................................................................................... 24 

3.3 Effect of Organoclay and PANi‐Clay on Diffusion ................................................... 26 

3.3.1 Stages of Diffusion ........................................................................................................ 26 

3.3.2 Diffusion Coefficients ................................................................................................... 35 

3.4 Composition and Surface Morphology ................................................................... 41 

3.4.1 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) .......................................................... 41 

3.4.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) ........................................................................... 45 

Chapter 4 Conclusions and Further Work Suggestions. ................................................... 50 

Reference .......................................................................................................................... 52 

Figure 3.1.1 ln viscosity VS 1/T of Polyimide .................................................................... 66 

Figure 3.1.2 ln viscosity VS 1/T of 0.01% Organoclay ....................................................... 66 

Figure 3.1.3 ln viscosity VS 1/T of 0.05% Organoclay ....................................................... 67 

Figure 3.1.4 ln viscosity VS 1/T of 0.10% Organoclay ....................................................... 67 

Figure 3.1.5 ln viscosity VS 1/T of 0.25% Organoclay ....................................................... 68 

Figure 3.1.6 ln viscosity VS 1/T of 0.50% Organoclay ....................................................... 68 

IV  

Figure 3.1.7 ln viscosity VS 1/T of 1.00% Organoclay ....................................................... 69 

Figure 3.1.8 ln viscosity VS 1/T of 1.50% Organoclay ....................................................... 69 

Figure 3.1.9 ln viscosity VS 1/T of 2.00% Organoclay ....................................................... 70 

Figure 3.1.10 ln viscosity VS 1/T of 0.01% PANi‐Clay ....................................................... 71 

Figure 3.1.11 ln viscosity VS 1/T of 0.05% PANi‐Clay ....................................................... 71 

Figure 3.1.12 ln viscosity VS 1/T of 0.25% PANi‐Clay ....................................................... 72 

Figure 3.1.13 ln viscosity VS 1/T of 0. 50% PANi‐Clay ....................................................... 72 

Figure 3.1.14 ln viscosity VS ln shear rate of Polyimide ................................................... 73 

Figure 3.1.15 ln viscosity VS ln shear rate of 0.01% OC .................................................... 73 

Figure 3.1.16 ln viscosity VS ln shear rate of 0.05% OC .................................................... 74 

Figure 3.1.17 ln viscosity VS ln shear rate of 0.10% OC .................................................... 74 

Figure 3.1.18 ln viscosity VS ln shear rate of 0.25% OC .................................................... 75 

Figure 3.1.19 ln viscosity VS ln shear rate of 0.50% OC .................................................... 75 

Figure 3.1.20 ln viscosity VS ln shear rate of 1.00% OC .................................................... 76 

Figure 3.1.21 ln viscosity VS ln shear rate of 1.50% OC .................................................... 76 

Figure 3.1.22 ln viscosity VS ln shear rate of 2.00% OC .................................................... 77 

Figure 3.1.23 ln viscosity VS ln shear rate of 0.01% PC .................................................... 77 

Figure 3.1.24 ln viscosity VS ln shear rate of 0.05% PC .................................................... 78 

Figure 3.1.25 ln viscosity VS ln shear rate of 0.25% PC .................................................... 78 

V  

Figure 3.1.26 ln viscosity VS ln shear rate of 0. 50% PC ................................................... 79 

Figure 3.1.27 Comparison of PC and OC at 0.01% ‐1 ........................................................ 80 

Figure 3.1.28 Comparison of PC and OC at 0.01% ‐2 ........................................................ 80 

Figure 3.1.29 Comparison of PC and OC at 0.01% ‐3 ........................................................ 81 

Figure 3.1.30 Comparison of PC and OC at 0.01% ‐4 ........................................................ 81 

Figure 3.1.31 Comparison of PC and OC at 0.05% ‐1 ........................................................ 82 

Figure 3.1.32 Comparison of PC and OC at 0.05% ‐2 ........................................................ 82 

Figure 3.1.33 Comparison of PC and OC at 0.05% ‐3 ........................................................ 83 

Figure 3.1.34 Comparison of PC and OC at 0.05% ‐4 ........................................................ 83 

Figure 3.1.35 Comparison of PC and OC at 0.25% ‐1 ........................................................ 84 

Figure 3.1.36 Comparison of PC and OC at 0.25% ‐2 ........................................................ 84 

Figure 3.1.37 Comparison of PC and OC at 0.25% ‐3 ........................................................ 85 

Figure 3.1.38 Comparison of PC and OC at 0.25% ‐4 ........................................................ 85 

Figure 3.1.39 Comparison of PC and OC at 0.50% ‐1 ........................................................ 86 

Figure 3.1.40 Comparison of PC and OC at 0.50% ‐2 ........................................................ 86 

Figure 3.1.41 Comparison of PC and OC at 0.50% ‐3 ........................................................ 87 

Figure 3.1.42 Comparison of PC and OC at 0.50% ‐4 ........................................................ 87 

Figure 3.1.43 ln viscosity VS ln shear stress of PI ............................................................. 88 

Figure 3.1.44 ln viscosity VS ln shear stress of 0.01% OC ................................................. 88 

VI  

Figure 3.1.45 ln viscosity VS ln shear stress of 0.05% OC ................................................. 89 

Figure 3.1.46 ln viscosity VS ln shear stress of 0.10% OC ................................................. 89 

Figure 3.1.47 ln viscosity VS ln shear stress of 0.25% OC ................................................. 90 

Figure 3.1.48 ln viscosity VS ln shear stress of 0.50% OC ................................................. 90 

Figure 3.1.49 ln viscosity VS ln shear stress of 1.00% OC ................................................. 91 

Figure 3.1.50 ln viscosity VS ln shear stress of 1.50% OC ................................................. 91 

Figure 3.1.51 ln viscosity VS ln shear stress of 2.00% OC ................................................. 92 

Figure 3.1.52 ln viscosity VS ln shear stress of 0.01% PC ................................................. 92 

Figure 3.1.53 ln viscosity VS ln shear stress of 0.05% PC ................................................. 93 

Figure 3.1.54 ln viscosity VS ln shear stress of 0.25% PC ................................................. 93 

Figure 3.1.55 ln viscosity VS ln shear stress of 0.50% OC ................................................. 94 

Figure 3.3.1 Flux of water with time for PI ....................................................................... 95 

Figure 3.3.1‐2 Flux of water with time for PI (Repeated) ................................................. 96 

Figure 3.3.1‐3 Comparison of PI vs repeated one ............................................................ 97 

Figure 3.3.2 Flux of water with time for 0.05% OC‐PI ...................................................... 98 

Figure 3.3.3 Flux of water with time for 0.10% OC‐PI ...................................................... 99 

Figure 3.3.4 Flux of water with time for 0.25% OC‐PI .................................................... 100 

Figure 3.3.4‐2 Flux of water with time for 0.25% OC‐PI (RP) ......................................... 101 

Figure 3.3.4‐3 Comparison of 0.25% OC‐PI VS repeated one ......................................... 102 

VII  

Figure 3.3.5 Flux of water with time for 0.50% OC‐PI .................................................... 103 

Figure 3.3.6 Flux of water with time for 1.00% OC‐PI .................................................... 104 

Figure 3.3.7 Flux of water with time for 1.50% OC‐PI .................................................... 105 

Figure 3.3.8 Flux of water with time for 2.00% OC‐PI .................................................... 106 

Figure 3.3.9 Flux of water with time for 5.00% OC‐PI .................................................... 107 

Figure 3.3.10 Flux of water with time for 0.01% PANiclay‐PI ......................................... 108 

Figure 3.3.11 Flux of water with time for 0.05% PANiclay‐PI ......................................... 109 

Figure 3.3.12 Flux of water with time for 0.25% PANiclay‐PI ......................................... 110 

Figure 3.3.13 Flux of water with time for 0.50% PANiclay‐PI ......................................... 111 

Figure  3.4.1.3  FTIR  Spectrum  of  0.05%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 114 

Figure  3.4.1.4  FTIR  Spectrum  of  0.10%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 115 

Figure  3.4.1.5  FTIR  Spectrum  of  0.25%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 116 

Figure  3.4.1.6  FTIR  Spectrum  of  0.50%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 117 

Figure  3.4.1.8  FTIR  Spectrum  of  1.50%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 119 

VIII  

Figure  3.4.1.9  FTIR  Spectrum  of  2.00%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 120 

Figure  3.4.1.10  FTIR  Spectrum  of  5.00%  Organoclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 121 

Figure  3.4.1.12  FTIR  Spectrum  of  0.05%  PANiclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 123 

Figure  3.4.1.13  FTIR  Spectrum  of  0.25%  PANiclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 124 

Figure  3.4.1.14  FTIR  Spectrum  of  0.50%  PANiclay‐PI  membrane  before  and  after 

diffusion .......................................................................................................................... 125 

Figure 3.4.2.1 SEM of PI 10K vs Figure 3.4.2.2 SEM of 0.05% OC‐PI 10K ....................... 126 

Figure 3.4.2.3 SEM of 0.10% OC‐PI 10K vs Figure 3.4.2.4 SEM of 0.25% OC‐PI 10K ....... 126 

Figure 3.4.2.5 SEM of Polyimide 50K vs Figure 3.4.2.6 SEM of 0.05% OC‐PI 50K .......... 127 

Figure 3.4.2.7 SEM of 0.10% OC‐PI 50K vs   Figure 3.4.2.8 SEM of 0.25% OC‐PI 50K ..... 127 

Figure 3.4.2.9 SEM of PI after diffusion 10K vs Figure 3.4.2.10 SEM of PI after diffusion 

50K .................................................................................................................................. 128 

 

 

 

1  

Chapter 1 Introduction 

1.1 Fermentation Products 

Fermentation could produce water and bio‐fuel mixtures from organic compounds  like 

corns. Ethanol  is one product of fermentation. Ethanol has been used long in food and 

beverage products.  It  is also used as a disinfectant  in  the pharmaceutical  industry  [1]. 

Also, with  the  less and  less petroleum  left as  fuel, ethanol’s high heat of  combustion 

(1365.5 KJ/mol) and its productivity become fascinating [2].  

Petroleum reserves are known to be limit resources. The global peak in oil production is 

between  1996  and  2035  through  different  studies.  Bio‐fuel  technologies  catch 

researcher’s attention by using waste materials or plant which contains carbohydrate to 

produce energy instead of traditional fossil fuel sources [3]. In some developed countries 

like  USA  or  Europe,  the  trend  of  using  bio‐fuel  is  growing  to  introduce  competitive 

various bio‐fuels to replace fossil fuels [4, 5]. 

Ethanol  is one of good  substitutes  for  the gasoline oil which  is non‐renewable.  It has 

been shown that cars on the road today in the U.S. run blends of about 10% ethanol. 1.3 

billion gallons of Ethanol was produced  in 1997 to 6.5 billion gallons  in 2007  in USA  [6]. 

30% or more of the U.S. gasoline could be replaced by biofuels by the year 2030[6].  

Ethanol  is  easily  produced  from  fermentation  of  cellulose  and  carbohydrate  [7‐9],  like 

corn. After  the  fermentation, purification of ethanol needs effort  to  separate  it  from 

2  

residues, especially  from  its  azeotrope‐water. Polymer membranes have  shown  great 

promise as candidate materials for separation of water and ethanol [10, 11]. 

1.2 Membranes 

The  technology  of  membrane  becomes  one  of  important  industrial  applications 

nowadays. Separation based on different membranes has been studied and developed 

in  recent  20  years.  More  and  more  countries  have  put  efforts  to  research  and 

development of new membranes  [12]. For  its diversity of operation, usually membranes 

are used to separate components as desalinating water, concentrate food or medicine, 

or purify chemicals [13].  

Membranes  are  divided  by  their  own  specialty:  thick  or  thin,  homogeneous  or 

heterogeneous, natural or synthetic [14, 15]. Based on different principles membranes can 

be  described  as  hydrophilic  or  hydrophobic,  neutral  or  charged,  active  transport  or 

passive transport, symmetric or asymmetric[16]. Generally speaking, the structure of the 

membranes plays an important role on separation and selection. 

The  separation  processes  can  be  divided  into different  categories  by  the  principle  or 

matters  as  well.  Different  matters  need  special  separation  methods  based  on  the 

matters’  size,  vapor pressure, electrical  affinity, density  and  chemical properties.  Like 

microfiltration,  untrafiltration,  reverse  osmosis,  dialysis,  electrodialysis,  liquid 

membrane, pervaporation, gas permeation and so on [12,17, 18].  

 

3  

1.3 Polyimide 

Polyimide  refers  to heterochain polymers containing an  imide group on  the backbone 

showing below [19]: 

 

Aromatic polyimide became popular since early 1960. Their good mechanical, thermal, 

chemical  stability  and  facinating  electrical  properties  [20,  21]  are  so  attractive,  a wide 

range of applications in advanced materials technology [22‐25]. 

The literature on the formation reactions and properties of polyimide is really a lot [26‐28]. 

The  first  polyimide  paper  was  published  by  Bogert  and  Renshw,  they  used  4‐

aminophthalic  anhydride  to  polycondensate  into  polyimide  in  1908.  However,  it  is 

Edwards  and Robinson who used pyromellitic  acid  and  aliphatic diamide  to  synthesis 

polyimide  and  applied patent. By  then, polyimide  attracted  interest  from  researchers 

[29]. Dupont then successfully synthesis aromatic polyimide membranes, polyimide went 

to  industry.  Though  other  polyheterocycles  have  better  thermal  resistance  like 

polybenzimidazoles,  polyquinolines,  polyimide  has  best  blend  of  price‐properties‐

processability so it is still one of star polymers [30].  

Different  polyimides will  behave  differently  according  to  the  different  diamines  and 

dianhydrides reactions. There are  two kinds of way  to synthesis polyimide.  If  the  final 

4  

polyimide  is  going  to  be  insoluble  in  organic  solvents,  an  intermediate  formation  of 

polyamic acid is needed and this method is called two‐stage synthesis [31].  

 

The  first stage  is to  let amine group react with dianhydride’s carbonyl group, thus the 

loop  of  acid  anhydride  is  open  to  generate  polyamic  acid,  symmetrical  or 

unsymmetrical. The second stage  is to heat or dehydrate polyamic acid; polyamic acid 

becomes polyimide through cyclodehydration reaction.  

The  first  stage  is  the  key  step  for  controlling  molecular  weight.  Usually  the Mw  of 

polyimide  is  determined  at  the  first  stage  [32]. While  the  second  step  dominate  the 

imidization  of  the  polyimide.  Besides,  the  water  will  play  a  real  bad  influence  for 

imidization.  The  concentrations  of  reactants  will  also  influence  the  Mw  of  final 

polyimide. The intrinsic viscosity of polyamic acid will have a maximum value according 

to  different molar  concentration  of monomers.  Though  the  intrinsic  viscosity  differs 

from different monomers, the molar concentration is around 0.4~0.8 mol/L [33].  

If the final polyimide is to be soluble in organic solvents, then one‐stage synthesis will be 

taken: 

O

O

O

NH2

CONH

COOHN

O

OPAA PI

+

5  

 

The  thermal cyclodehydration  is very  important  to polyimide, and majority of  thermal 

cyclodehydration is realized by heat at high temperature. However, if the temperature is 

not  well  controlled,  the  breakage  of  polymer  chains  and  bubles  and  holes  will  be 

generated  to  generate  defects.  Normally  the  temperature  around  300‐350oC  can 

remove  all  the  solvents  but  the  cross  linking  arises which makes  imidized  polyimide 

insoluable to most organic solvents [34].  

Chemical  cyclodehydration  also  is  a  good method  to  imidizaiton.  If  polyamic  acid  is 

heated at 200oC or below with dehydrator, imidization will occur within couple of hours. 

Because the temperature is not very high, thermal cracking will not happen like thermal 

cyclodehydration  [32].  Unstable  intermediate  products  will  be  generated  as  imide  or 

isoimide  due  to  different  dehydrators.  So  how  to  choose  a  proper  dehydrator  is  an 

important issue for chemical cyclodehydration [35, 36].  

As for the separation, polyimide can be used to produce polymeric molecular sieves for 

separation of gases. The first  industrial application of PI to separation work  is done by 

Dupont  at  the  year 1970 using  reverse osmosis  system  for purifying and desalinating 

water.  And  this  establishes  the  technological  foundations  for  gas  separation  [19]. 

Polyimide exhibits both high gas selectivity and permeability [37, 38]. Though polyimide is 

NH2 N

O

OPI

COOR

COOH

Heat+

6  

a good membrane material and is resistant to high temperature, radiation and chemical, 

its mechanical properties  is dependent on  the extent of  imidization. Partially cured PI 

membranes have a short lifetime and are easily degraded. 

Polyimide membranes can be used  to separate organic mixture as well as alcohol and 

water.  For polyimide has high  Tg,  so usually  the  separation process will  select water 

with  high  selectivity  but  low  permeability  [39].  Polyimide  membranes  are  used  to 

separate organic solvents by many researchers already.  

ODPA‐BISP/PDMS  block  copolymer  was  successfully  synthesized  by  improving  the 

mechanical properties of PDMS with excellent polyimide  group  [40]. Also, polyimide  is 

also  successfully  incorporated  with  polyurethane  by  step‐condensation  [41,  42]. 

Polyurethane  has  segments  built  by  soft  and  rigid  groups  which  are  helpful  for 

separation.  

Incorporation of  functional group  into polyimide affects  the separation process. Many 

papers have discussed the relationship between the rigidity, stack density and selectivity 

with gas separation [43‐46].  For the flux improvement, CF3  is studied to increase the flux 

by restraining marco‐molecules’ stacking and perturbing[45].CH3 group can be  found  to 

increase the flux 10 times while the selectivity remains the same  [46]. Selectivity can be 

also  effected  by  functional  groups:  sulfolane  group  makes  the  polyimide  more 

compatible with aromatic solvents thus increases the selectivity [47, 48].   

The endurance of polyimide membranes can be  improved by  introducing phosphonate 

ester group  [49]. The mechanism  is believed that this  functional group can  increase the 

7  

appetency with benzene and reduce the wet ability. Improvement is found similarly by 

copolymerize with polyethylene oxide [50].  

Different ways of  synthesis will  also  affect  the  separation process  [51,  52]. Membranes 

through  overheating  or  UV  have  better  separation.  For  through  these methods,  the 

interaction  inside copolyimide groups  is strong which reduce  the wet ability. Also,  the 

soft ester group has better toughness which will reduce the brittlity.  

Different  concentration  of  polymers,  additives,  volatilization  times  and  temperatures 

were studied to  increase the permeability by controlling the thickness of asymmetrical 

polyimide membranes  [53, 54]. Yanagisita also synthesized thin polyimide membranes to 

carry out pervaporation by vapor deposition polymerization  [55]. When the thickness  is 

0.2 μm the selectivity  is the same of compact  film while the permeability  is 14 times 

higher[56]. Also spin coating can be used to get super thin film. There might be a slight 

decrease of the selectivity but the permeability increase drastically [57]. The factors that 

influence  the  separation  are  mainly  the  Mw  of  polyimide,  structure  and  thickness. 

Besides, the imidization and thermal cracking will matter as well [58].  

Polymer Ethanol concentration, wt%

Temp., oC

Permeation rate, kg/m2h

Polyetherimide (dry-wet method) 87a 25 2b

Polyamide 6-PEI/PAAc 70a 50 0.5 Polyamide 6-PEI/Alg 88a 50 0.3

BTDA-ODA asymmetry 95 25 0.037 BTDA-ODA symmetry 95 25 0.002

PMDA-p-ODA asymmetry 95 30 0.2 PMDA-p-ODA symmetry 95 30 0.004

HXDA-BMTC 90 40 1.7 BTDA-ODA 8 27 0.18

8  

 

Table 1.3 Pervaporation performance of aliphatic and aromatic polyimide on Ethanol‐

water solution (a: IPA/water. IPA concentration; b. mol/m2‐hr; c. phenol/water. Phenol 

concentration.) [39] 

1.4 Clay 

Layered  silicate  clays,  especially  smectite  clays,  are  an  interesting  class  of  filler 

materials.  Among  the  di‐octahedral  smectites,  montmorillonite  (MMT)  is  the  most 

commonly used.  [59], mainly layered SiO2 and Al2O3. 1 μm diameter, every unit consists 

of  hundreds  to  thousands  layers,  average  number  of  layers  is  around  850.  It  is  the 

hamburger layer structure as two layers of SiO2 tetrahedral cover one octahedral Al2O3 

[60] 

Al  or  Si  can  be  replaced  by  other metallic  ions  to  form  cation  exchange  clay,  anion 

exchange  clay  and  neutral  exchange  clay  [61,  62].  The  interlayer  Van Der Walls  gap  is 

called gallery of just interlayer. The cation and crystal water existing in the galleries can 

absorb water  in water  surrounding  to  swollen  then diffuse water. This  can make  the 

organizing of clay become feasible by the presence of cation and crystal water: to use 

proper  ions  replace  cations  inside  the  clay.  The  ability  of  ions  exchanging  for  clay  is 

represented  by  Cationic  Exchange  Capacity  (CEC). Most montmonrillonite  has  a  CEC 

between 70‐150 meq/100 gm [60]. 

Clay molecules  stay  together by 50%  covalent bond and 50% electrovalent bond plus 

few hydrogen bonding. Three clays can be found based on the ratio of tetrahedral over 

9  

octahedral as 1:1, 2:1 and 2:2. The 2:1 is the most common one, every layer of this clay 

built up by a sandwich structure, two tetrahedral clamp one octahedral. Two octahedral 

clamp a cation with crystal water [60].  

Organizing  of  clay  is  pre‐requisite  for  polyimide‐clay  nanocomposite  due  to  its 

hydrophilic nature. This can be  realized by  the cationic exchange capacity; also, more 

and more studies are carried out by using the polyimide monomers to modify clay, like 

diamine[63,64]. Surface active agents can be also used to improve the compatibility of clay 

and  polymer  like  a  bridge  between  them,  one  side  is  hydrophilic  and  the  other  is 

hydrophobic like most polymers. The efficiency of high d‐spacing orgnoclay dependents 

on cationic exchange capacity of clay [65].  

1.5 Polyimide­Clay nanocomposite 

Nanocomposite  has  been  studied world while  both  in  industry  and  in  academic  for 

decades. With little addition of reinforcement, the properties of matrix will be changed 

drastically [66, 67].  

Polyimide‐clay  nanocomposites  based  on  PMDA‐ODA  polyimide with montmorillonite 

has a good thermal and mechanical properties [68]. Also MMT is good reinforcement and 

compatible  with  many  polymer  matrixes  and  with  the  introduction  of  MMT,  the 

permeability of PI will be changed [69].  

The  advantage  of  using  clay  to  reinforce  polyimide  is  obvious:  the  improvement  of 

mechanical properties,  like Young’s modulus;  the  increase of  thermal  stability,  like Tg; 

improvement of size stability, it is due to the thermal expansion coefficient is decreased; 

10  

enhanced anti‐fire behavior due to higher aspect ratio  increases the tortuous pathway 

so gas will travel longer inside membranes; decrease of dielectric constant and so on [70‐

74].  

 Dispersion is an important factor that affect improvements. Conventional composite is 

believed  that  the  reinforcement  is  not  fully  carried  out  due  to  the  simple  stacks  of 

components.  Intercalated  nanocomposites  will  have  a  better  improvement  for  the 

polymer molecules interlude the clay, part of them form a strong bonding, and distance 

between  silicate  layers  is  around  20‐30A.  Exfoliated  or  delaminated  nanocmposite  is 

believed the best and most uniform nanocomposite. The layer structure disappears and 

dispersion reaches its maximum. Properties are greatly improved [75].  

Polyimide‐clay composite has been studied for a lot of work [76‐78]. The films are used to 

separate small gases as O2, H2O, He, CO2 and also the organic vapor ethyl acetate with 

small  portion  of Organoclay.  The  synthesis  of  Polyimide‐Organoclay  hybrid  film  from 

PMDA‐ODA polyimide is as below [78]: 

 

Figure 1.1 Flow chart of synthesis of Polyimide‐Organoclay hybrid Film 

   

PMDA ODA

PAA Clay Mixing Casting

PAA filmHeatingPI-Clay Hybrid film

+

+

 

2.1

Poly

DuP

Cloi

(PAC

(NM

grea

sho

Cloi

Tex

Tr

1 Material

yamic acid 

Pont (PI 254

site® 20A m

CN) are use

MP)  purchas

ase purchas

wn in Figur

site ® Na+ 

as). The typ

reatment/P

Cloisite®

ls 

of pyromel

45) is the p

modified w

ed as the fil

sed  from  A

sed from D

e 2.1 

Figure

Clay,  20A 

pical proper

roperties: 

® 20A

Table 2.1.1

Chapter

litic dianhy

olyimide re

ith a quate

ler separate

Aldrich  Che

ow Corning

e 2.1.1  Che

was  purch

rties of Na+ 

OrganicModifier (

2M2HT

1 Typical Pro

11 

r 2: Exp

ydride/4, 4‐

esin used in

ernary amm

ely to form 

mical  Comp

g is used fo

emical Struc

hased  from 

Clay, 20A C

1)Mo

Conce

95 meq

operties of N

erimen

Oxydianline

 this study.

monium salt

nanocompo

pany was  u

r sealing. T

ctures of PM

Southern 

Clay (Organo

odifier  entration 

q/100g clay

Na+ 20A Cla

tal 

e (PMDA‐O

. Natural m

t  ( Organoc

osites. 1‐M

used  as  the

The structur

 

MDA‐ODA 

Clay  Produ

oclay) are sh

%  Moisture

< 2%

ay (Organoc

DA) polyme

ontmorillon

lay) and PA

ethy‐2‐Pyrr

e  solvent.  V

re of PMDA

cts  Inc.  (Go

hown in Tab

% WeiLoss on Ig

38%

clay) 

er, from 

nite Na+ 

ANi‐Clay 

rolidone 

Vacuum 

A‐ODA  is 

onzales, 

ble 2.1. 

ght gnition

12  

 

Where HT is Hydrogenated Tallow (~65% C18; ~30% C16; ~5% C14) Anion: Chloride 

(1) 2M2HT: dimethyl, dihydrogenatedtallow, quaternary ammonium 

10% less than:  50% less than: 90% less than: 

2µ  6µ 13µ 

Table 2.1.2 Typical Dry Particle Sizes of Na+ 20A Clay (Organoclay): (microns, by volume) 

PANi  –Clay  (PACN)  was  prepared  by  Yangrong  Zhu  using  in‐situ  polymerization 

technique at year 2002.  

2.2 Membranes Preparation  

All the membranes were derived from solution‐casting on a free‐standing glass, at the 

Vacuum Oven at 70oC for 8hrs.   Solution prepared with 1‐Methyl‐2‐Pyrrolidone  (NMP) 

as  the solvent. For uniform distribution of  the  filler, all  the solutions were vibrated  in 

Ultra‐Sonic  for 5 minutes and  then  stirred  for 2 hours with Magnetic Stir Bar. Before 

applying on glass, another 1 minute Ultra‐Sonic vibration was used to get rid of bubbles.  

In order  to determine  the effect of 20A Clay  (Organoclay), different  concentration of 

Organoclay were used  in solution casting. The concentration of the components  in the 

films is shown in Table 2.2.1. Different concentrations of the clay were incorporated into 

13  

the  nanocomposites  in  order  to  study  the  effect  of  the  percentage  of  clay  on  the 

properties of permeation and separation Ethanol and Water.  

Sample ID  Polyimide 2545, g  Organoclay, g  NMP, ml 

#0 PI  5  0  5 #1 OC‐1  5  0.0025  5 #2 OC‐2  5  0.005  5 #3 OC‐3  5  0.0125  5 #4 OC‐4  5  0.0251  5 #5 OC‐5  5 0.0505 5 #6 OC‐6  5  0.0761  5 #7 OC‐7  5 0.102 5 #8 OC‐8  5  0.2632  5 

 

Table 2.2.1 Solution Casting Conditions of Polyimide and Organoclay nanocomposites 

PANi‐Clay was  introduced  into  our  system  to  study  the  effect  of  PANi modification, 

continuing Yangrong Zhu’s work in year 2002. Different concentrations of the PANi‐Clay 

were incorporated in to the nanocomposites. 

Sample ID  Polyimide 2545, g  PANi –Clay, g  NMP, ml 

#9 MC‐1  5 0.0005 5 #10 MC‐2  5  0.0025  5 #11 MC‐3  5 0.0125 5 #12 MC‐4  5  0.0251  5 

 

Table 2.2.2 Solution Casting Conditions of Polyimide and PANi –Clay 

The thicknesses of the membranes were around 70 µm to 100 µm. Color changed with 

the  amount  of  Organoclay  and  PANi‐Clay.  For  the  both  groups,  the  more  clay 

 

inco

than

2.3

Diff

belo

cylin

pos

prev

ioni

of 7

The

and

orporated, t

n Organocla

 Diffusion

fusion tests 

ow  (See  Fi

nders  cham

ition, the p

venting  lea

zed water a

7.9 ml initial

e time of dif

 stability.   

the deeper 

ay’s. 

n Test 

were carrie

igure  2.3.1

mbers  each

eripheral p

king. A pos

and 5.0% (V

lly. 

Figure

ffusion test

As  the diff

color woul

ed out in U‐

).  Two  mi

.  Size  is  sh

art of them

sition was h

V:V) Ethano

e 2.3.1 Diag

ts varied  fro

usion went

14 

ld be.  And 

‐shaped cel

rrored  U  s

hown  in  Fig

m were appl

held with st

ol/Water so

ram of U‐sh

om 60 hrs 

t on,  there 

PANi‐Clay 

lls purchase

shaped  diff

gure  2.3.2. 

lied with Do

trong clips.

lution filled

haped Diffu

to 400 hrs 

would be a

membranes

ed from Ken

fusion  cells

Membrane

ow Corning 

 Same volu

d each side 

 

sion Cells.

depends o

a volume d

s had deep

ntucky Glas

s  consist  o

es were  fix

Vacuum gr

ume  (95 ml

at the same

n the perm

difference b

er color 

s Inc. as 

of  three 

ed  in  A 

rease to 

) of de‐

e height 

meability 

between 

15  

water  side  and  ethanol/water  side  due  to  the  difference  of  diffusion  coefficient  for 

water and ethanol.  

2.4 Characterization Technologies 

Different  technologies were  taken  to analyze  the effect of amount of Organoclay and 

PANi‐Clay to composition and morphology of membranes: Brookfield Viscometer (Shear 

Viscometer),  Fourier  Transform  Infrared  Spectroscopy,  Scanning  Electron Microscopy 

and Refractive Index.  

2.4.1 Brookfield Viscometry  

Data of materials’ viscosity behavior is of a great importance. Rheological characteristics 

are valuable during the processing. Temperature is one of the most obvious factors that 

can  influence  the  rheological  behavior. And with  the  introduction  of Organoclay  and 

PANi‐Clay,  the  amount  is  another  important  effect  to  the  shear  viscosity.  The 

relationship between rheological properties and characteristics of the solution will help 

us to predict characteristics of sample. For example, with the comparison of viscosity of 

different system, we will have a concept of how thick the membrane might be. 

Brookfield DV+I viscometer with spindle model‐31 (Brookfield Engineering, Laboratories, 

INC.MA) was  used  to measure  the  shear  viscosity  of  polyimide  and  polyimide  based 

membrane  systems.  Different  temperatures  were  applied  to  solutions  to  study  the 

influence  of  temperature.  Further  comparisons  in  shear  rate  and  shear  stress  were 

studied.  

16  

The  relationship  between  viscosity  and  temperature  is  given  by  Arrhenius  Equation 

below [79] 

 

2.4.2 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 

Infrared (IR) spectroscopy deals with the recording of the absorption of radiations in the 

infrared  region  of  the  electromagnetic  spectrum.  IR  spectrum  can  show  important 

information of chemical compositions and chemical structures. All the membranes were 

analyzed  by  Fourier  Transform  Infrared  Spectroscopy  (FTIR)  using  Bio‐Rad  Excalibur 

Series  (Bio‐Rad, Richmond, CA). FTIR was used  to determine  the chemical structure of 

Polyimide  and  the  composition  of  the  nanocomposite. With  FTIR,  the  change  of  the 

membranes before diffusion test and after diffusion test was shown. FTIR spectra were 

collected at a resolution of 4 cm‐1 and average of 32 scans through 400 to 4000 cm‐1. All 

the spectra were analyzed by Bio‐Rad KnowItAll software.  

2.4.3 Scanning Electron Microscopy (SEM)  

The morphology of the nanoccomposites was observed by using a Hitachi S‐4000 Field 

Emission SEM and a Hitachi S‐900 SEM. Membranes were sputtered with a mixture of 

Platinum and Gold to improve conductivity.  

2.4.4 Concentration Measurement 

All  the  samples  concentration  is  measured  by  HR100.008  Refractometer  (APT 

Instrument, IL). 

17  

Chapter 3 Results and Discussion 

3.0 Temperature of Membranes Synthesis 

65oC to 250oC has been tried for synthesis of membranes.  It took over 15 hours when 

the  temperature  was  65oC  before  the  membrane  formed.  The  higher  temperature 

applied,  the quicker  the membrane  formed. However, membranes  formed and  cured 

above 100oC showed  little water flux during the permeation. 70o, 80 o and 90o formed 

and cured membranes showed a  relative higher  flux. 70  o  is selected  for  the synthesis 

temperature for the highest flux. 

3.1 Shear Viscosity 

Rheological properties of the nanocomposite solution were studied in order to evaluate 

the influence of Organoclay and PANi‐Clay concentration on solution viscosity. The data 

obtained can be used to predict process ability of the membranes. If the viscosity is too 

high,  it  is difficult  to spread solution uniformly on glass, and  thick  film will  it become. 

While  if  the  viscosity  is  too  low,  solution will  spread easily  and  cannot  stay on  glass. 

Thus, solution will be wasted and much thinner film will it become.  

The experimental task had three main objectives. The first objective was to determine 

the relationship between viscosity and  temperature, and viscosity and shear rate. The 

second objective was to evaluate the effect of addition of Organoclay and PANi‐Clay to 

the  polyimide  solution.  The  information  obtained  can  be  used  to  study  the 

reinforcement mechanism of clay. The third objective was to evaluate the differences of 

effect for Organoclay and PANi‐Clay. 

18  

The  viscosity  of  shear  thinning  fluids  decreases  with  the  increasing  shear  rate  and 

increasing  temperature.  The  dependency  of  shear  viscosity  on  temperature  could  be 

understood by applying the  free volume theory  [15]. An  increase  in temperature would 

facilitate  thermal motion of molecules by  increasing  the  free  volume  in  the polymer. 

Increasing  test  temperature  causes  a  decrease  in  the  resistance  to  intermolecular 

motion (viscosity). 

3.1.1 Effect of Temperature on Shear Viscosity 

It is very clear to see from Figures 3.1.1 to 3.1.13, that increasing temperature will lead 

decreasing of the viscosity. This can be partially explained by Arrhenius Equation [80] (Eq. 

(2.1)). When the temperature increases, 1/T decreases, then exp (E/RT) decreases for R 

is the universal gas constant and E is a constant for a specific system. The dependence of 

shear viscosity on the temperature could also be explained by the Free Volume Theory 

[57].  That  is  the  increase  in  the  temperature  might  assist  the  thermal  motion  of 

molecules and more free volume in the polymer. The increase in free volume will allow 

molecules have more space  to move,  it will decrease  intermolecular or  intramolecular 

resistances. So the viscosity will decrease subsequently [81, 82]. And we can get activation 

energy by  linear  fit  the plot of  ln viscosity with 1/T. And  the  results are bellowing  for 

Organoclay in Table 3.1.1 (a) and (b): 

Sample Oraganoclay, %(w/w) Activation Energy, KJ 1 0.00 26.88 2 0.05 32.68 3 0.10 27.32 4 0.25 38.62 5 0.50 29.23

19  

6 1.00 14.27 7 1.50 19.52 8 2.00 18.85

Table 3.1.1 (a) Effect of Organoclay concentration on Activation Energy at RPM=30 r/m 

Sample PANi-Clay, %(w/w) Activation Energy, KJ

1 0.00 26.88 9 0.01 27.45 10 0.05 28.36 11 0.25 52.62 12 0.50 49.31

Table 3.1.1 (b) Effect of PANi‐Clay concentration on Activation Energy at RPM=30 r/m 

We  will  see  that  in  both  cases,  the  activation  energy  reaches  a  maximum  at 

concentration of 0.25%  filler. The  reason  caused  this phenomena will be discussed  in 

chapter 3.1.2. 

3.1.2 Effect of Clay on Shear Viscosity 

By the comparison of activation energy, we will see, with the small amount introduction 

of of Organoclay,  the activation energy will  increase. This  indicates  that  the  threshold 

energy is increasing from 0.00% to 0.25% Clay, both Organoclay and PANi‐Clay, w/w. So 

the  viscosity  is  lower  when  the  concentration  is  higher.  It  is  believed  that  good 

dispersion of Clay in Dupont PI 2545 can smooth the entanglement of molecular chains 

of PI 2545 which results from the exfoliation of Clay.   Another possible explanation for 

this  behavior  may  involve  planar  alignment  of  the  clay  particles  towards  the  flow 

direction under shear [83]. Thus it leads to lower viscosity and higher process ability.  

There is a steep rise of the activation energy when the concentration is beyond 0.25%. 

The  viscosity  becomes  higher  than  for  the  threshold  energy  increases.  It  is  believed 

20  

more  introduction  of  Clay will  increase  the  crystalline  of  solution  [84]. And more  and 

more  Clay will  become  obstacles  for  themselves  for  exfoliation.  So  the  shear  stress 

become noticeable higher thus viscosity increases.  

Another  theory  to  explain  this  behavior  is  tried  by  Sinha  et  al;  it  is  due  to  planar 

alignment of the clay particles  towards  the  flow direction. For  low concentration, Clay 

particles  are  easy  to  attain  complete  planar  alignment  along  the  flow  direction with 

matrix, so the rheological behavior is not strong. While at high concentration, it takes a 

long  and  hard  time  for  them  to  align  completely.  Thus  strong  rheological  behavior 

becomes strong. [85] 

Sample ID Organoclay%, w/w 20 30 50 60 1001 0.00 27.79 26.88 22.45 21.49 20.552 0.05 32.65 32.68 32.11 26.83 22.493 0.10 26.67 27.32 20.76 15.37 11.074 0.25 43.21 38.62 30.43 26.18 23.645 0.50 33.65 29.23 22.34 20.74 18.586 1.00 16.91 14.27 14.12 12.05 13.847 1.50 21.15 19.52 18.17 16.81 16.358 2.00 21.32 18.85 17.04 15.70 13.33Table 3.1.2 (a) Effect of Organoclay on Activation Energy at Different RPMs 

Sample ID PANi-Clay%, w/w 20 30 50 60 1001 0 27.79 26.88 22.45 21.49 20.559 0.05 35.12 27.45 25.18 22.28 20.17

10 0.10 52.98 28.36 26.40 23.77 19.05 11 0.25 - 52.62 31.51 26.84 21.21 12 0.50 83.97 49.31 28.96 26.73 19.45 Table 3.1.2 (b) Effect of PANi‐Clay on Activation Energy at Different RPMs 

Same  change  shows at angular  velocity at 30r/m, 50r/m, 60r/m and 100r/m  in Table 

3.1.2 (a) and (b). Here, we can see the maximum of the activation energy takes place at 

21  

concentration of 0.25%, we can notice this concentration for other behavior in our later 

discussion.  

3.1.3 Effect of Shear Rates on Shear Viscosity 

For all the samples, there was a trend that viscosity  increased as the  increase of shear 

rate  (See Figure 3.1.14  to 3.1.26). But  the behaviors at  low shear  rate and high shear 

rate  are  different.  At  high  shear  rate,  the  shear  viscosity  seems  to  reach  a  plateau 

viscosity but it increase as the increase of shear rate at low shear rate. The lower shear 

rate goes with Newtonian  fluids. This  is believed  to be caused by  the randomly coiled 

macromolecule  in  solution  expands  during  laminar  flow  [86],  saying  the  expansion  of 

coiled  macromolecule  will  decrease  the  average  hydrodynamic  interaction  between 

random two segments. So the expansion of coiled macromolecule will lead an addition 

influence  to  the viscosity. Thus,  if  the shear  rate  increases,  the  related shear viscosity 

will increase consequently. While at high shear rate, the coiled macromolecules already 

finish the expansion, so the increase of shear rate will have little influence on viscosity.  

From Figures 3.1.14 to 3.1.26, we could find out the influence of  incorporation of both 

Organoclay and PANi‐Clay is not so significant to shear viscosity. But the effect of shear 

rate on viscosity  is  lower for the  introduction of Clay.  It  is possible that Clay disrupted 

the expansion of randomly coiled macromolecule  in solution, so,  the viscosity will not 

change that much as it should be. 

22  

3.1.4 Effect of Shear Stress on Shear Viscosity 

For all the samples, there was a trend that viscosity  increased as the  increase of shear 

stress.  The  shear  viscosity  decreased  with  the  increase  of  external  temperature. 

Incorporation  of  clay would not  influence  shear  viscosity  of  the mixture  significantly. 

They were similar to the relationships between viscosity and shear rate. The explanation 

is similar to the effect of shear rate. See Figure 3.1.43 to 3.1.55. 

3.1.5 Effect of Reinforcements 

From  the comparison of Organoclay and PANi‐Clay  (Figure 3.1.27  to 3.1.42, and Table 

3.1.1 to 3.1.2), we will see that the different behaviors from Organoclay and PANi‐Clay. 

From 0.01% to 0.50% (Figure 3.1.30, 3.1.34, 3.1.38, 3.1.42), the viscosity of Organoclay 

reinforced  PI  2545  and  PANi‐Clay  reinforced  PI  2545  shows  a  transition.  At  0.01%, 

viscosity of PANi‐Clay solution is greater than Organoclay solution, but they are close at 

0.05%. When  the concentration of clay  increases  to and above 0.25%,  the viscosity of 

Organoclay becomes greater than PANi‐clay.  

   

23  

3.2 Diffusion Model 

3.2.1 Fick’s Second Law 

Separation will be achieved if the diffusivities of Water and Ethanol for membranes are 

different.  In  this  system,  water  was  absorbed  and  then  diffused  while  ethanol  was 

insulated.   

All  the diffusion equations  can be described by Fick’s  first and  second  laws. Diffusion 

coefficient  is  an  important parameter  to us because only with  this  can we  know  the 

diffusivity of water in different membranes. As the concentration in our Ethanol/Water 

side changes with time, so Fick’s second law [87] will apply our systems. 

wMt

∂∂ = 

2

2wMD

x∂∂                                                                         (1) 

Where Mw is the concentration of water in dimensions of [(amount of substance) length‐

3], [mol m‐3], t is time [s], D is the diffusion coefficient in dimensions of [length2 time‐1], 

[m2 s‐1] and x is the position [length], [m] 

 

 

If we consider  the boundary conditions as bellowing:  t=0, x=0, Mw = pure water;  t>0, 

x=0, Mw = pure water. So  the boundary value problem of our system will be Figure 1. 

(See Below)  

WT  MB  EW 

x

X=0 X=L

24  

 

 

 

 

Figure 1: Boundary value problems for diffusion systems. 

Applied  these  boundary  conditions  to  Fick’s  Second  Law, we will  see  that  it  is  non‐

homogeneous for T1 and T2 are not zero at the same time. We can get solutions of non‐

homogeneous from homogeneous problem by setting T1=T2=0, and then go back to non‐

homogeneous problem as it is.  

3.2.2 Square­root relationship[88­92] 

It is too complicated to use this solution calculating diffusion coefficient. In fact, there is 

Square‐root  relationship  for  simplification.  As  in  a  Semi‐infinite medium  having  zero 

initial concentration and the surface of which is maintained constant, involves only the 

single dimensionless parameter2

xDt

.  

When  applied  this  into  diffusion  in  a  plane  sheet.  The  total  amount  of  diffusing 

substance Mt entering or leaving the sheet up to time t, is expressed as a fraction of Minf. 

That is: 

 inf

( , ) 2M x t DtM L π

=                                                                 (10) 

Mt

∂∂

= 2

2

MDx

∂∂

 M (0, t) =T1  M (L, t) = T2

25  

   

26  

3.3 Effect of Organoclay and PANi­Clay on Diffusion  

From the Diffusion Model above, we can make the t1/2 as the X axis, and Mw (x, t)/M  inf 

as the Y axis. We will get variations of the flux of water with time for membranes. 

3.3.1 Stages of Diffusion 

Our preliminary  results  indicate  three  to  four distinct  stages  for permeation of water 

through the membranes composed of: (i) initial instantaneous increase in flux followed 

by  (ii)  an  induction period marked by  a  gradual but  constant  flux,  (iii)  a  steady‐state 

permeation  stage marked  by  a  rapid  but  constant  flux  and  a  (iv)  final  plateau  state 

where  diffusion  process  takes  place  very  slowly.    The  diffusion  coefficient  for  each 

membrane was calculated from the slope of the third stage of permeation. It should be 

noted that the membranes were not swollen prior to the permeation study. 

0 5 10 15 20 25

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.50% Organoclay 2.00% Organoclay 5.00% OrganoclayM

w/M

inf)

t1/2, hr1/2   

Figure 3.3.1.1 Typical Three Diffusion Stages: 1.50%, 2.00% and 5.00% (w/w) Organoclay 

27  

The variation of the flux of water with time for membranes plots of 1.50%, 2.00% and 

5.00% Organoclay are the most typical of this behavior.  (Figure 3.3.1.1) The first stage 

occurs  in  the  initial  five hours  from  the beginning of permeation and  is marked by a 

rapid transport of water through  the membrane. The second stage  is the  induction or 

saturation period characterized by a very slow  rate of permeation of water. The  third 

stage  is marked by a  sharp but  constant  steady‐state  flux.  Finally,  the  fourth  stage  is 

characterized  by  a  gradual  and  very  slow  flux  and  occurs  after  about  480  h  of 

permeation in most membranes.  

From the Figure 3.3.1.2 and Figure 3.3.1.3, we can see the correlation between diffusion 

coefficients and time of stage  I and  II  (The diffusion coefficients will be discussed next 

section). Generally speaking, the  trend of dependence of concentration on the time  is 

the same with diffusion coefficient relevantly. All three show a sine wave trend line.  

0 2 4 6 8 10 12 140

5

10

15

20

25

30

0.500.25

0.25

0.10

0.10

0.05

0.05

PI

Concentation of Clay, %, w/w

Diff

usio

n C

oeffi

cien

t, 10

-10

cm2 /

s

D, 10-10 cm2/s

PI0

2

4

6

8

10

5.00

5.00

1.50

1.50

1.001.00

0.50

Time, hrs

t, hrs

 

28  

Figure 3.3.1.2 Time of Stage I and relevant Diffusion Coefficient for Organoclay 

0 2 4 6 8 10 12 140

5

10

15

20

25

30

PI

0.50

0.25

0.25

0.10

0.10

0.05

0.05

PI

Concentation of Clay, %, w/w

Diff

usio

n C

oeffi

cien

t, 10

-10

cm2 /

s D, 10-10 cm2/s

PI0510152025

30354045505.00

5.00

1.50

1.50

1.00

1.00

0.50

Time, hrs

t2, hrs

 

Figure 3.3.1.3 Time of Stage II and relevant Diffusion Coefficient for Organoclay 

If we put them all together, it is clear that time of stage I is consistent with time of stage 

II, and tend to behave similarly as change of diffusion coefficients. But time of stage  II 

are  more  stable  than  stage  I  which  indicates  that  the  induction  period  of  every 

membrane are tend to be stable. This properly is depended on a little change will occur 

after first stage which is believed to be swollen process. See Figure 3.3.1.4 (a) to (c).  

29  

0 1 2 3 4 5

0

2

4

6

8

10

Tim

e of

Sta

ge I,

hrs

Organoclay, wt%

Time of Stage I, hrs

 

(a) 

0 1 2 3 4 50

10

20

30

40

50

Tim

e of

Sta

ge II

, hrs

Organoclay, wt%

Time of Stage II, hrs

 

(b) 

30  

0 1 2 3 4 5

0

10

20

30

40

50D

, T1,

T2

Organoclay, wt%

Diffusion Coefficient, 10-10 cm2/s Time of Stage I, hrs Time of Stage II, hrs

 

(c) 

Figure 3.3.1.4 Correlation of time of stage I, time of stage II with diffusion coefficients at 

different Organoclay concentration 

From the Figure 3.3.1.5, we will see the related flux at equilibrium tends to be stable at 

low concentration up to 1.00% and it increases when concentration of Organoclay 

increases. With a comparison of PANi‐Clay Figure 3.3.1.8, we will notice that PANi‐Clay 

reinforced membranes have a lower related flux at quilibrium.  

If we compare the  low concentration of Organoclay and PANi‐Clay from Figure 3.3.1.1, 

3.3.1.9 and 3.3.1.10, we will notice  that PANi‐Clay  system will blur  the border of  first 

stage  and  second  stage.  It  is hard  to distinguish  stage  I  and  stage  II except  at 0.50% 

PANi‐Clay.  This  is  believed  that  PANi  modified  clays  have  the  effect  of  stabilizing 

polyimide membrane which minimize  the  stage  I  but  elongate  stage  II.  This  can  be 

31  

noticed  from  Figure  xx  to  xx,  the  stage  I  cannot  be  noticed  in  PANi‐ modified  clay 

system.   And  the  relevant diffusion  coefficients are much  lower  than Organoclay, but 

the time of stage II tends to be stable. 

0 1 2 3 4 50.0

0.1

0.2

0.3

Rel

ated

Flu

x at

Equ

ilibr

ium

Organoclay, wt%

Related Flux at Equilibrium

 

Figure 3.3.1.5 Related Flux at equilibrium and concentration for Organoclay 

2 4 6 8 100.00

0.05

0.10

0.15

Concentation of PANi-Clay, %, w/w

Diff

usio

n C

oeffi

cien

t, 10

-10

cm2 /

s

D, 10-10 cm2/s

0

5

10

15

20

25

30

35

Time, hrs

0.500.25

0.50

0.25

0.05

0.05

0.01

0.01

PI

PI

T2, hrs

 

32  

Figure 3.3.1.6 Time of Stage II and relevant Diffusion Coefficient for PANi‐Clay 

0.0 0.2 0.4 0.625

30

35 Time of Stage II, hrsTi

me

of S

tage

II, h

rs

Concentration of PANi-Clay, wt, %  

(a) 

0.0 0.2 0.4 0.60

10

20

30

40 Diffusion Coefficient, 10-10 cm2/s Time of Stage II, hrs

D, T

2

Concentration of PANi-Clay, wt, %  

(b) 

33  

Figure 3.3.1.7 Correlation of time of stage II with diffusion coefficients at different PANi‐

Clay concentration 

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.00

0.05

0.10

Rel

ated

Flu

x at

Equ

ilibr

ium

PANi-Clay, wt%

Related Flux at Equilibrium

 

Figure 3.3.1.8 Related Flux at equilibrium and concentration for PANi‐Clay 

0 2 4 6 8 10 12 14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Polyimide 0.05% Organoclay 0.25% Organoclay 0.50% Organoclay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2 

 

34  

Figure 3.3.1.9 Variation of the flux of water with time for membranes Polyimide, 0.05% 

,0.25% and 0.50%(w/w) Organoclay 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.01% PANi-Clay 0.05% PANi-Clay 0.25% PANi-Clay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2 

Figure 3.3.1.10 Variation of the flux of water with time for membranes 0.01%, 0.05% 

and 0.25% (w/w) PANi‐Clay 

The concentration  is  lower for the beginning of second stage and third stage for PANi‐

Clay. The fourth stage  is more obvious for PANi‐Clay system. The  low concentration of 

PANi‐Clay behaves more like high concentration of Organoclay system.  

 

35  

3.3.2 Diffusion Coefficients 

We can calculate the diffusion coefficient from variation of the flux of water with time 

for membranes plots.  If we make a  linear  fit at  the  third stage, we will have different 

slope, and the slope is  2 DL π

 , so the Diffusion Coefficient will be obtained then.  

The  diffusion  coefficients  obtained were  compared with  that  for  the  neat  polyimide 

membrane.  Nanocomposite  membranes  containing  varying  amounts  of  clay  were 

studied. 

As shown  in Figure 3.3.2.1, the relative concentration of diffusing water  increases with 

permeation time and  increases with weight percent of clay up to 0.25% w/w clay. The 

relative concentration of diffusing water decreased with any additional  increase in clay 

concentration Table 3.3.2.1 shows the diffusivity of the membranes as a function of clay 

concentration. Accordingly, the diffusion coefficient for the membranes  increased with 

increasing weight percent of clay up to a clay concentration of 0.25%, beyond which a 

sharp  decrease  in  the  diffusion  coefficient  occurred with  any  further  increase  in  the 

concentration of clay.  

It is clear that the introduction of Organoclay helped Polyimide membrane increase the 

water permeation properties at lower concentration and it did not help a lot that much 

at high concentration even showed a reverse effect  for permeation.  It  is believed that 

the introduction of Organoclay will help to create or enlarge the pore size of Polyimide 

membranes. Organoclay’s  layer can exfoliate and “cut”  the membrane  thus more and 

36  

more pores shows up, and the size of pores will become  larger. However, when more 

Organoclay  is  introduced,  it  will  become  an  obstacle  itself,  which means  the  pores 

created  by  Organoclay  will  be  covered  or  extrude  by  strong  Organoclay  layer.  The 

mechanism  caused  this will be  studied by  FTIR  and  SEM on  composition  and  surface 

morphology later.   

Sample ID  Organoclay, wt% Diffusion Coefficient, 10‐10cm2/s

0  0.00 1.73 1  0.05 6.43 2  0.10 8.44 3  0.25 9.57 4  0.50 0.71 5  1.00 2.2 6  1.50 0.62 7  2.00 1.77 8  5.00 0.94 

 

Table 3.3.2.1 Dependence of Diffusion Coefficient on Concentration of Organoclay 

Neat polyimide membrane and 0.25% Organoclay reinforced polyimide membrane were 

repeated by Dr. Iroh’s group. The results were close, see Table 3.3.2.1‐2. 

Diffusion Coefficient, 10‐10cm2/s  Orginal Repeated Average Standard Deviation 

Neat PI  1.75  2.33  2.04  0.41 0.25% OC‐PI  9.57  9.73  9.65  0.11 

 

Table 3.3.2.1‐2Comaprison of Orginal and repeated neat PI and 0.25% OC‐PI, numbers 

are Diffusion Coefficients, unit as 10‐10cm2/s 

37  

6 8 10 12-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Pure PI 0.01% Clay 0.05% Clay 0.25% Clay 0.50% Clay 1.00% Clay 1.50% Clay 2.00% Clay 5.00% Clay

[Mt]

/ [M

inf]

t1/2, hr1/2 

(a) 

0 1 2 3 4 5

0

2

4

6

8

10

Diff

usio

n C

oeffi

cien

t, 10

-10 c

m2 /s

Organoclay, wt%

Diffusion Coefficient, 10-10 cm2/s

 

(b) 

Figure 3.3.2.1 Dependence of concentration of diffusing water on time, and Organoclay 

loading 

38  

With  the  incorporation  of  PANi‐Clay,  the  effect  is  reversing  (See  Figure  3.3.2.2.  and 

Table 3.3.2.2). It decreased the Diffusion Coefficient a lot, which meant the interaction 

between Polyimide‐PANi‐Organoclay was  strong. Membrane becomes more  condense 

than  before.  This  is  believed  that  the  PANi  modified  Organoclay  changed  the 

arrangement  of  Organoclay  in  the  Polyimide.  Intercalation  became  dominant  than 

exfoliation. 

However,  the Diffusion  Coefficient  increased  as  the  concentration  of  PANi‐Clay  leads 

difficulty to explain this behavior with intercalation‐exfoliation theory for the D‐spacing 

of PANi‐Clay is even bigger than Organoclay. But due to PANi is hydrophobic; it will keep 

away water, so the balance of these two forces will lead the final permeation of water 

through membrane. It is highly believed that due to the pore creativity from Organoclay, 

the effect of PANi‐Clay  to permeation will be  the  results of balance of  interactions of 

Polyimide‐PANi,  Polyimide‐Organoclay,  PANi‐Clay  and  Polyimide‐PANi‐Organoclay.    It 

becomes more difficult to have a clear concept of the mechanism then.  

39  

6 8 10 120.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Polyimide 0.01% PANi-Clay 0.05% PANi-Clay 0.25% PANi-Clay 0.50% PANi-Clay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2  

(a) 

0.0 0.2 0.4 0.60.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0 Diffusion Coefficient, 10-10 cm2/s

Diff

usio

n C

oeffi

cien

t, 10

-10

cm2 /

s

Concentration of PANi-Clay, wt, % 

(b) 

Figure 3.3.2.2 Dependence of concentration of diffusing water on time, and PANi‐Clay 

loading 

40  

Sample ID  PANi‐Clay, wt% Diffusion Coefficient, 10‐10 cm2/s 

0  0.00 1.73 9  0.01 0.73 10  0.05 1.3 11  0.25 1.99 12  0.50 2.69 

 

Table 3.3.2.2 Dependence of Diffusion Coefficient on Concentration of PANi‐Clay 

   

41  

3.4 Composition and Surface Morphology 

In order to study the effect of different concentrations of Organoclay and PANi‐Clay on 

composition  and  surface morphology,  Fourier  Transform  Infrared  Spectroscopy  (FTIR) 

and Scanning Electron Microscopy (SEM) are introduced.  

3.4.1 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 

Fourier Transform  Infrared Spectroscopy  (FTIR)  is a convenient  technique  for polymer 

analysis. It can be used to analysis of liquids, solutions, pastes, powders also our films. In 

this  work,  the  effect  of  different  concentrations  of  Organoclay  and  PANi‐Clay  on 

composition was studied by FTIR.  

Polyimide FTIR Absorption Peaks

Peak Position, cm‐1 Peak Assignment

1780  asymmetric stretch of C=O

1720  symmetric stretch of C=O, a very strong band 1380  stretch of C‐N , strong

1310‐‐1210  Combined C—N stretching and N—H bending 725  C=O bending

 

Table 3.4.1.1 Summary of FTIR absorption peaks of Polyimide [93, 94] 

The strongest band that occurs at 1720 cm‐1 (C=O symmetrical stretching) also overlaps 

with strong carboxylic acid band (1700 cm‐1, C=O) of the poly (amic acid). Some overlap 

of  the 1780  and 725  cm‐1  is  also possible with  absorption of  anhydrides occurring  at 

1780 cm‐1 and 720 cm‐1. The carboxylic acid band of 1700 cm‐1 (C=O) abd 2800‐3200 cm‐

1  (OH)  and  amide  bands  at  1660  (C=O),  1550  cm‐1  (C‐NH)  and  3200‐3300  cm‐1  (N‐H) 

42  

which  often  appear  as  broad  peaks  also  useful  for  qualitative  assessment  during 

imidization process[95].  

The  formation  of  the  Polyimide  structure  was  confirmed  by  FTIR.  From  the  FTIR 

spectrum  of Neat  Polyimide membrane  (Figure  3.4.1.1),, we will  notice  typical  imide 

bands at 1778 cm‐1 as asymmetric stretch of C=O group, a very strong band at 1719 cm‐1 

as  symmetric  stretch  of  C=O  in  the  imide  group,  strong  peak  at  1381  cm‐1  for  C‐N 

stretching  in  the  imide group  is also shown, and  the 721 cm‐1  for C=O bending  is also 

noticeable  (Table  3.4.1.2),.  So we  succeed  to  cast  Polyimide membrane  by  our  film 

casting conditions. The 1300 and 1215 cm‐1 peaks cannot be used to specifying as imide 

group, for they are also characteristic peaks for Polyamide. 

Polyimide 0 FTIR Absorption Peaks

Peak Position, cm‐1 Peak Assignment

1778  asymmetric stretch of C=O

1719  symmetric stretch of C=O, a very strong band 1381  stretch of C‐N , strong

1300, 1215  Combined C—N stretching and N—H bending 721  C=O bending

 

Table 3.4.1.2 Summary of FTIR absorption peaks of Polyimide #0 Membrane 

However,  since our  curing  temperature  is  low, 70oC  is definitely  lower  than  common 

imidizing  temperature  [96‐98],  so  some  of  Polyamide  peaks  are  shown  at  the  FTIR 

spectrum of Polyimide #0 membrane (Figure 3.4.1.1).   

 

43  

Polyamide (Secondary) FTIR Absorption Peaks

Peak Position, cm‐1 Peak Assignment

3300   N–H stretching

1644  C=O stretching, very strong intensity

1550  N–H bending, C–N stretching, strong intensity 1310‐1200  Mixed C‐N stretching and N‐H bending

 

Table 3.4.1.3 Summary of FTIR absorption peaks of amide [94, 99, 100] 

Polyimide 0 FTIR Absorption Peaks

Peak Position, cm‐1 Peak Assignment

‐   N–H stretching

1645  C=O stretching, very strong intensity

1543  N–H bending, C–N stretching, strong intensity 1300, 1217  Mixed C‐N stretching and N‐H bending

 

Table 3.4.1.4 Summary of FTIR absorption peaks of Polyimide #0 Membrane 

We  notice  that  there  is  an  overlap  of  1310  to  around  1200  peaks  for  Polyimide  and 

Polyamide, so the peak in this area will not be considered as the distinction of Polyimide 

or  Polyamide.    By  the  comparison  of  Table  3.4.1.3  and  Table  3.4.1.4, we  notice  that 

amine bonds can been seen as the carbonyl vibration of polyamic acid around 1645 cm‐1 

and strong amide bands from N‐H bending and C‐N stretching of C‐N‐H group at around 

1543 cm‐1 . But the strong amide group at 3300 cm‐1 disappeared which means though 

that some of Polyamide groups still exist but majority of them have become Polyimide 

group.  

If we have a look at the FTIR spectrum after diffusion, we will see Polyimide peaks were 

decreased. Though all the peaks were shown at spectrum, their intensities were not as 

44  

strong as before diffusion. This phenomenon indicates that neat Polyimide membrane is 

not so chemical resistant  to water and ethanol/water surroundings. Because we dried 

the membrane at 70oC which is lower than common imidizing temperature, some of the 

solution NMP is possible to stay. And NMP is compatible with water, with the transport 

of water  through  the membrane;  some  NMP will  be  taken with water,  so  some  of 

Polyimide molecule is possible to be carried away. And this is why further reinforcement 

is needed for Polyimide Membrane.  

With the  introduction of Organoclay, we can see that though the  low concentration of 

Organoclay  from  0.01%  to  0.25%  will  increase  the  permeation  of  water  for  the 

membrane,  it  did  limited  contribution  to  stabilize  Polyimide  (See  Figure  3.4.1.2  to 

3.4.1.5).  At  high  concentration  from  0.50%  to  5.00%,  the  Organoclay  is  helpful  to 

stabilize Polyimide (See Figure 3.4.1.6 to 3.4.1.10). 

The effect of PANi‐Clay  is similar to and better than high concentration of Organoclay. 

They  have  low  diffusion  coefficients,  but  the  Polyimide  is  stabilized  by  even  at  low 

concentration of PANi‐Clay (See Figure 3.4.1.11 to 3.4.1.14).  

For  the  imidization  can  be  realized  by  two means,  one  is  heating,  and  the  other  is 

chemical way  [19, 34‐36]. Through our results, we believe that both Organoclay and PANi‐

Clay are helpful  to cyclodehydration. The mechanism of how  it  is  imidized  is not well 

known by now.  

Here,  we  can  see  the  dilemma  of  how  to  choose  the  best  combination  of  curing 

membrane  technique  and  getting  favorable  permeation  properties.  For  Polyimide 

45  

function groups are hydrophobic, the fully imidized polyimide is a good barrier to water 

and other little molecule [101, 102].  

3.4.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) 

SEM was  used  to  study  the  surface morphology  of Organoclay  reinforced  Polyimide 

membranes.  

Figure 3.4.2.1 shows the SEM of PI membranes containing varying amount of clay.   As 

shown  in  the  Figure  3.4.2.1,  both  the  neat  PI  membrane  and  the  nanocomposite 

membranes are highly porous. A  close  inspection of  the SEM pictures,  show  that  the 

porosity of the membranes increases with increasing amount of up to 0.25% clay.  

(a)

46  

(b)

 

47  

(c) 

 

(d) 

Figure 3.4.2.1 SEM pictures of the membranes at 50KX magnification for PI and 

(a)PI/Organoclay, (b)0.05%, (c)0.10%, (d)0.25% 

48  

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.2540

60

80

100

120

140

160

180

200

0

2

4

6

8

10 Pore Size

Por

e S

ize,

nm

Concentration of Organoclay, wt, %

Diffusion C

oefficient, 10 -10 cm2/s

Diffusion Coefficient

Figure 3.4.2.2 Comparison of pore size and diffusion coefficient for Organoclay 

If we have  look at  the pore  size of each  sample at  low concentration  from PI, 0.05%, 

0.10%,  0.25%,  we  will  find  that  the  pore  size  is  of  a  linear  relationship  with  the 

concentration. Also,  if we  look at both pore size and diffusion coefficient, we can see 

clearly  show  that  diffusion  coefficient  increases  with  increasing  pore  size.  This  is 

partially proved  that  the  introduction of Organoclay will be helpful  to pores and  then 

benefit for permeation.   

49  

0.0 0.2 0.4 0.60.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Concentration of PANi-Clay, wt, %

Diffusion Coefficient

Diff

usio

n C

oeffi

cien

t, 10

-10

cm2 /

s

  

Figure 3.4.2.3 Comparison of concentration and diffusion coefficient for PANi‐Clay 

Figure 3.4.2.3 shows the introduction of PANi‐Clay will make a sudden drop of diffusion 

coefficient. However, with more PANi‐Clay, it goes back to increase in a similar way for 

organoclay.    And  the  diffusion  coefficient  does  not  decrease means more  PANi‐Clay 

might be added into polyimide membranes, this needs further work to understand.  

   

50  

Chapter 4 Conclusions and Further Work Suggestions. 

The polyimide membranes reinforced with Organoclay have better chemical strengths. 

They have a  longer  life  in Ethanol/Water  solutions  for at  least  two  times  longer  than 

resin membrane. And the higher the concentration  is, the more chemical resistant will 

be.  The  effect  of  PANi‐Clay  on  chemical  resistance  is  better  than  Organoclay.  Low 

concentration  of  PANi‐Clay  will  show  similar  chemical  resistance  at  Ethanol/Water 

environment for high concentration of Organoclay. 

Polyimide  highly  cured  is  not  good  for  permeation.  Only  partly  imidized  Polyimide 

membranes  show  good  results  of  permeation.  This  means  fully  imidized  Polyimide 

membranes have a good barrier property and  is not appropriate  for  separation water 

and ethanol.  

The  introduction of Organoclay helped Polyimide membrane  increase the water flux at 

lower concentration and it did not help that much at high concentration even showed a 

reverse effect for permeation. It is believed that the introduction of Organoclay will help 

to  create  or  enlarge  the  pore  size  of  Polyimide membranes.  Organoclay’s  layer  can 

exfoliate and “cut” the membrane thus more and more pores shows up, and the size of 

pores will become larger. However, when more Organoclay is introduced, it will become 

an  obstacle  itself, which means  the  pores  created  by Organoclay will  be  covered  or 

extruded by strong Organoclay layer. And the maximum water permeation occurs at the 

concentration of 0.25% Organoclay.   

51  

With  the  introduction of PANi‐Clay,  the effect  is  reversing.  It decreased  the diffusion 

coefficient a lot, which meant the interaction between Polyimide‐PANi‐Organoclay was 

strong. Membrane becomes more condensed than before. This is believed that the PANi 

modified  Organoclay  changed  the  arrangement  of  Organoclay  in  the  Polyimide. 

Intercalation became dominant than exfoliation. Due to PANi is hydrophobic; it will keep 

away water, so the balance of these two forces will lead the final permeation of water 

through membrane. It is highly believed that due to the pore creativity from Organoclay, 

the effect of PANi‐Clay  to permeation will be  the  results of balance of  interactions of 

Polyimide‐PANi,  Polyimide‐Organoclay,  PANi‐Clay  and  Polyimide‐PANi‐Organoclay.    It 

becomes more difficult to have a clear concept of the mechanism then.  

The  Infrared  results  suggest  that polyimide has  a weight  loss during  the diffusion  for 

neat  Polyimide membrane. And  this  is  improved  by  incorporation  of Oragnoclay  and 

PANi‐Clay.  Also,  high  concentration  of  Organoclay  has  a  better  effect  than  low 

concentration. And PANi‐Clay is also helpful to prevent the loss of polyimide.  

However, it is a compromise to choose the right membrane: if the polyimide is kept, the 

permeation will  be  reduced.  For  future work,  how  to make  the  combination  of  best 

chemical resistance and best permeation of water  leading  to separation  is need. Also, 

the mechanism of how Organoclay and PANi‐Clay work need a further detailed study. 

   

52  

Reference 

1. S. A. Parke, G. G. Birch: Solution properties of ethanol  in water, Food Chemistry 67 

(1999) 241‐246 

2. NIST Chemistry WebBook, http://webbook.nist.gov/chemistry/ 

3.  J.  Sheehan,  V.  Cambreco,  J.  Duffield,  M.  Garboski,  H.Shapouri:  An  overview  of 

biodiesel and petroleum diesel life cycles. A report by US Department of Agriculture and 

Energy, 1998. p. 1–35 

4. S. Puhan, N. Vedaraman, B. V. Rambrahaman, G. Nagarajan. Mahua (Madhuca indica) 

seed oil: a source of renewable energy in India, J Sci Ind Res 2005;64:890–6 

5.  A.  Demirbas:  Biofuels  sources,  biofuel  policy,  biofuel  economy  and  global  biofuel 

projections, Energy Conversion and Management 49 (2008) 2106–2116 

6. RFA, http://www.ethanolrfa.org/resource/facts/ 

7. K.G. de Carvalho Lima, C.M. Takshashi and F. Alterhum: Ethanol production from corn 

cobhydrolysates  by  Eschierichia  coli  KO11,  Journal  of  Industrial  Microbiology  & 

Biotechnology (2002) 29, 124‐128 

8.  B.S.  Dien,  L.B.  Iten  and  R.J  Bothast:  Conversion  of  corn  fiber  to  ethanol  by 

recombinant  E.  coli  strain  FBR3,  Journal  of  Industrial Microbiology  &  Biotechnology 

(1999) 22, 575‐581 

53  

9.  M.  Lewandowska,  W.  Kujawski:  Ethanol  production  from  lactose  in  a 

fermentation/pervaporation system, Journal of Food Engineering 79 (2007) 430‐437 

10. T. Mohammadi, A. Aroujalian, A. Bakhshi: Pervapoation of dilute alcoholic mixtures 

using PDMS membrane, Chemical Engineering Science 60 (2005) 1875‐1880 

11.  C.  Bang‐Xiao:  Polymer  Membranes  for  Separating  Organic  Mixtures,  Journal  of 

Applied Polymer Science, Vol. 101, 1160‐1164 (2006) 

12. M. Mulder: Basic principles of membrane technology, Kluwer Academic Publishers, 

the Netherlands, 1996 

13. S.T. Hwang and K. Kammermeryer: Membrane in separation, John Wiley Sons, New 

York, 1975 

14. R.Y.M. Huang, R. Pal, G.Y. Moon: Pervaporation dehydration of aqueous ethanol and 

isopropanol  mixtures  through  alginate/chitosan  two  ply  composite  membranes 

supported  by  poly  (vinylidene  fluoride)  porous  membrane,  Journal  of  Membrane 

Science, 167 (2000) 275‐289 

15. M. Y. Teng, K. R. Lee, D. J. Liaw, J. Y. Lai: Preparation and pervaporation performance 

of poly (3‐alkylthiophene) membrane, Polymer 41 (2000) 2047‐2052 

16. R.W. Baker: Euromembrane 97, Twente, The Netherlands, 1997 

17.  P. M.  Bungy,  H.  K.  Lonsdale  and M.N.  de  Pinho:  Synthetic membranes:  science, 

engineering and applications, D. Reidel, Dordrecht/Boston/Lancaster/Tokyo, 1986 

54  

18. R.W. Baker: Membrane technology and application, McGraw‐Hill companies, 2000 

19.  H.  Ohya,  V.  V.  Kudryavtsev,  S.I  Semenova:  Polyimide  Membranes  Applications, 

Fabrications,and Properties, 1996 

20. M.  I.Bessonov, M. M.Koton,  V.  V.Kudryavtsev,  L.  A.  Laius:  Polyimides:  Thermally 

Stable Polymers, Consultants Bureau: New York, 1987. 

21. D. Wilson, H. D. Stenzenberger, P. M. Hergenrother:   Polyimide, Blackie, New York, 

1990. 

22. K. L. Mittal: Polyimides, Synthesis, Characterization and Applications, Plenum: New 

York, 1985. 

23. S. H. Goodman: Handbook of Thermoset Plastics, 2nd ed., Noyes Publications: Park 

Ridge, NJ, 1998 

24. M. Han, H. Bie, D. E. Nikles, G. W. Warren: Amine–Quinone Polyimide: A New High‐

Temperature Polymer and Its Use to Protect Iron Against Corrosion, Published online 

25.  M.  J.  M.  Abadie,  B.  Sillion:  Polyimides  and  Other  High‐Temperature  Polymers, 

Elsevier, Amsterdam, 1991. 

26.  T.  Takekoshi:  Polyimides,  (Wilson D., Hergenrother, P  and  Stengenberger, H.  ed), 

Blackie, Chapman and Hall, NY, 1990 

27. C.E Sroog: Prog. Polymer Science. 16, 561‐694,1991 

55  

28.  F. W. Harris:  Polyimides,  (Wilson D., Hergenrother,  P  and  Stengenberger, H.  ed), 

Blackie, Chapman and Hall, NY, 1990 

29. L. Liang, E. Ruckenstein: Polyvinyl alcohol‐Polyacrylamide  interpenetrating polymer 

network membranes and their pervaporation characteristics for ethanol‐water mixtures, 

J. Membrane Sci. 106 (1995) 167‐182 

30. H.R. Kricheldorf, Handbook of polymer synthesis, Marcel Dekker, 1991 

31. M.T.  Bessonov, M.M  koton,  V.V  Kudryavtsev  and  L.A  laius:  Polyimide.  Thermally 

stable polymers, consultants Bureau, NY, 1987 

32. C. P. Yang, S.H Hsiao: Effects of various factors on the formation of high molecular 

polyamic acid, J. Applied Polymer Sci. 30 (1985) 2883‐2905 

33. J. Preston: High‐strength/high‐modulus organic fibres, Polymer Engineering Science, 

15 (1975) 199‐206 

34.  D. Wilson,  K.  L.  Stenzenberger,  P. M.  Hergenrother:  Polyimides, NY,  Glasgow,  1‐

37(1990) 

35. R.A. Dine‐Hart, W.W. Wright: Preparation and fabrication of aromatic polyimides, J. 

Appl. Polym. Sci, 11(1967)609‐627 

36. M. J. Brekner, C. Feger: Curing studies of a polyimide precursor.  II polyamic acid,  J 

Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 25 (1987) 2479‐2491 

56  

37.  Yu.  N.  Sazanov:  Applied  Significance  of  Polyimides,  Russian  Journal  of  Applied 

Chemistry, Vol. 74, No. 8, 2001, 1253‐1259 

38.  Y.  Xu,  C.  Chen,  P.  Zhang,  B.  Sun  and  J.  Li:  Pervaporation  Properties  of  Polyimide 

Membranes  for Separation of Ethanol + Water Mixtures,  J. Chem. Eng. Data 2006, 51, 

1841‐1845 

39. S. Q. Fan: A  study of polyamide and polyimide membranes  for pervaporation and 

vapor permeation, Dissertation of Zhongyuan Univ., 2004 

40. J. Schauer, P. Sysel, V. Marousek, Z. Pientka, J. Pokorny and M. Bleha: Pervaporation 

and  gas  separation  membranes  made  from  polyimide/polydimethylsiloxande  block 

copolymer, Journal of Applied Polymer Science, 61 (1996) 1333‐1337 

41. A. Jonquiere, C. Dole, R. Clement, P. Lochon: Synthesis and characterization of new 

highly  permeable  polyamideimdes  from  dianhydride  monomers  containing  amide 

functions:  an  application  to  the  purification  of  a  fuel  octane  enhancer  (ETBE)  by 

pervaporation, Journal of Polymer Science PT. A‐Polym. Chem. 38 (2000) 614‐630 

42. A.  Jonquiere, D. Roizard, P. Lochon: Polymer design  for pervaporation membrane: 

influence  of  the  soft  segment  size  of  block  copolymers  (polyurethaneimides  or 

polyureaimides)  on  their  pervaporation  features,  Journal  of Membrane  Science,  118 

(1996) 73‐84 

57  

43. T.H. Kim, W. J. Koros, G. R. Husk, K.C. O’ Brien: Relationship between gas separation 

properties  and  chemical  structures  in  a  series  of  aromatic  polyimides,  Journal  of 

Membrane Science 37 (1988) 45‐62 

44. S.A. Stern, Y. Mi, H. Yamamoto, A. K. St. Clair: Structure Permeability relationships of 

polyimide  membranes:  applications  to  the  separation  of  gas  mixtures,  Journal  of 

Polymer Science Pt. B‐Polym. Phys. 27 (1989) 1887‐1909 

45.  J.  Ren,  C.  S.  Bickel,  R.  N.  Lichtenthaler:  Separation  of  aromatics/aliphatics  with 

crosslinked 6FDA‐based copolyimides, Separation Purification Technology 22‐23  (2001) 

31‐43 

46. N. Tanihara, K. Tanaka, H. Kita, K. Okamoto: Pervaporation of organic liquid mixtures 

through  membrane  of  polyimides  containing  methyl‐substituted  phenylenediamine 

moieties, Journal of Membrane Science 95 (1994) 161‐169 

47.  H.  Wang,  T.  Ugomori,  K.  Tanaka,  H.  Kita,  K.  Okamoto,  Y  Suma:  Sorption  and 

pervaporation  properties  of  sulfonyl‐containing  polyimide  membranes  to 

aromatic/aliphatic hydrocarbon mixtures, Jounal of polymer Science 132 (1997) 97‐108 

48.  J. Hao,  K.  Tanaka, H.  Kita,  K. Okamoto:  The  pervaporation  properties  of  sulfony‐

containing polyimide membranes  to aromatic/aliphatic hydrocarbon mixtures,  Journal 

of Membrane Science 132 (1997) 97‐108 

49.  K. Okamoto,  h, Wang,  T.  Ljyuin,  S.  Fujiwara,  K.  Tanaka, H.  Kita:  Pervaporation  of 

aromatic/non‐aromatic  hydrocarbon  mixtures  through  crosslinked  membranes  of 

58  

polyimide with pendant phosphonate ester group,  Journal of Membranes Science 157 

(1999) 97‐105 

50. H. Wang, T. Ugomori, Y. Wang, K. Tanaka, H. Kita, K. Okamoto, Y. Suma: Sorption and 

pervaporation  properties  of  crosslinked  membranes  of  poly  (ethylene  oxide  imide) 

segmented  copolymer  to  aromatic/nonaromatic  hydrocarbon  mixtures,  Journal  of 

Polymer Science Pt. B‐Polym. Phys. 38 (2000) 1800‐1811 

51.  J.  Fang,  K.  Tanaka,  H.  Kita,  K.  Okamoto:  Synthesis  of  thianthrene‐5,5,10,10‐

tetraoxide‐containing  polyimides  via  Yamazaki‐Higashi  phosphorylation  method  and 

their perpaporation properties to aromatic/nonaromatic hydrocarbon mixtures, Journal 

of Polymer Science Pt. A‐ Polym. Chem. 38 (2000) 895‐896 

52.  J.  Fang,  K.  Tanaka,  H.  Kita,  K.  Okamoto:  Pervaporation  properties  of  ethynyl‐

containing  copolyimide  membranes  to  aromatic/nonaromatic  hydrocarbon  mixtures, 

Polymer 40 (1999) 3051‐3059 

53. X. Feng, R. Y. M. Huang: Preparation and performance of asymmetric polyetherimide 

membranes  for  isopropanol  dehydration  by  pervaporation,  J. Membr.  Sci.  109(1996) 

165‐172 

54.R. Y. M. Huang, X. Feng: Resistance model approach to asymmetric polyetherimide 

membranes  for  pervaporation  of  isopropanol/water mixtures,  Journal  of Membrane 

Science, 84 (1993) 15‐27 

59  

55. H. Yanagisita, D. Kitamoto, K. Haraya, T. nakane, T. Tsuchiya, N. Koura: Preparation 

and pervaporation performance of polyimide composite membrane by vapor deposition 

and polymerization (VDP) , Journal of membrane Science, 136 (1997) 121‐126 

56. H. Yanagisita, D. Kitamoto, K. Haraya, T. Nakane, T. Okada, H. Matsuda, Y. Idemoto, 

N. Koura: Separation performance of polyimide composite membrane prepared by dip 

coating process, Journal of Membrane Science, 188 (2001) 165‐172 

57.  A.  Morioka,  H.  Yamaguchi,  M.  Kakimoto,  Y.  Imai:  Formation  of  interconnected 

globulr structure of silica phase  in polyimide‐silica hybrid  films prepared by the sol‐gel 

process, Chem. Mater. , 6 (1994) 913‐917 

58.  J.  H.  Kim,  K.  H.  Lee,  S.  Y.  Kim:  Pervaporation  separation  of water  from  ethanol 

through polyimide composite membranes, Journal of Membrane Science, 169 (200) 81‐

93 

59. M. Ben‐Hur, M. Malik, J. Letey and U. Mingelgrin, Soil Science, 153: 349‐356, 1992 

60.  P.D.  Kaviratna,  T.J.  Pinnavaia  and  P.A.  Schroeder,  J.  Phys.Chem.  Solids,  57:  1897‐

1906,1996 

61. A. Akelah, A. Moet: Synthesis of organophilic polymer‐clay nanocomposites, Journal 

of Applied Polymer Science, Appl.Polym. Symp. 55 (1994) 153‐172 

62. C. Depege, F. E. Elmetoui, C. Forano, A. D. Roy: Polymerization of silicates in layered 

double hydroxides, Chem. Mater. 8 (1996) 952‐960 

60  

63. J. J. Lin, I‐J. Cheng, R. Wang, R. J. Lee: Tailoring basal spacing of montmorillonite by 

poly (oxyalkylene) diamine intercalation, Macromolecules 24 (2001) 8832‐8834 

64. H. L. Tyan, Y. C. Liu, K. H. Wei: Thermally and mechanically enhanced clay/polyimide 

nanocomposite via reactive organoclay, Chem. Mater. 11 (1999) 1942‐1947 

65. M.  Alexandre,  P.  Dubois:  Polymer‐layered  silicate  nanocomposites:  preparation, 

properties and sues of a new class of materials, Materials Science and Engineering, R‐

Rep. 28 (2000) 1‐63 

66.  S.  Zhang,  D.  Sun,  Y.Fu,  H.  Du:  Recent  advances  of  superhard  nanocomposite 

coatings: a review, Surface and Coatings Technology 167 (2003) 113–119 

67.  L.  J.  Lee, C.  Zeng,  X. Cao,  X. Han,  J.  Shen, G.  Xu: Polymer  nanocomposite  foams, 

Composites Science and Technology 65 (2005) 2344–2363 

68.  T.  Agag,  T.  Koga,  T.  Takeichi:  Studies  on  thermal  and mechanical  properties  of 

polyimide‐clay nanocomposites, Polymer 42 (2001) 3399‐3408 

69. P. C. LeBaron, Z. Wang, T. J. Pinnavaia: Polymer‐layered silicate nanocomposites: an 

overview. Applied Clay Science 15 (1999) 11‐29 

70. R. Magaraphan, W. Lilayuthalert, A. Sirivat,  J. W. Schwank: Preparation,  structure, 

properties  and  thermal  behavior  of  rigid‐rod  polyimide/montmorillonite 

nanocomposites, Composites Science and Technology 61 (2001) 1253‐1264 

61  

71.  T.  Agag,  T.  Koga,  T.  Takeichi:  Studies  on  thermal  and mechanical  properties  of 

polyimide‐clay nanocomposites, Polymer 42 (2001) 3399‐3408 

72. A. gu, S. W. Kuo, F. C. Chang: Syntheses and properties of PI/Clay hybrid, Journal of 

Applied Polymer Science 79 (2001) 1902‐1910  

73. P. C. Lebaron, Z. Wang, T. J. Pinnavaia: Polymer‐Layered silicate nanocomposites, an 

overview, Applied clay science, 15 (1999) 11‐29 

74. K. Yano, A. Usuki, A. Okada, T. Kurauchi, O. Kamigaito: Synthesis and properties of 

polyimide‐clay hybrid, J. Polym. Sci. Pt. A‐Polym. Chem. 31 (1993) 2493‐2498 

75. H.R Dennis, D. L. Hunter, D. Chang, S. Kim. J.L. White, J. W. Cho, D. R. Paul: Effect of 

melt  processing  conditions  on  the  extent  of  exfoliation  in  organoclay‐  based 

nanocomposties, Polymer 42 (2001) 9513‐9522 

76.  L.  Tie;  K.  Padmananda  D.;  P,Thomas  J: Mechanism  of  clay  tactoid  exfoliation  in 

epoxy‐clay nanocomposites, Chemistry of Materials, Vol. 7,  Issue: 11, 1995. pp. 2144‐

2150 

77. P. C. Lebaron, Zhen wang, T. J. Pinnavaia: Polymer‐layered silicate nanocomposites: 

an overview, Applied Clay Science 15 (1999) 11‐29 

78. Y. Kazuhisa, U. Arimitsu, O. Akane: Synthesis and properties of polyimide‐clay hybrid 

films. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, Vol. 35, Issue: 11, (August 

1997) 2289 – 2294 

62  

79.  A.  E.  Nasrabad,  R.  Laghaei,  and  B.  C.  Eu: Modified  Free  Volume  Theory  of  Self‐

Diffusion  and Molecular  Theory  of  Shear  Viscosity  of  Liquid  Carbon Dioxide,  J.  Phys. 

Chem. B 2005, 109, 8171‐8179 

80. M.I. Ojovan and W.E. Lee: Viscosity of network liquids within Doremus approach, J. 

Appl. Phys. 95 (7): 3803‐3810 

81. M.L. Willianms, R.F.  Landel,  J.D.Ferry,  The  temperature dependence of  relaxation 

mechanisms in amorphous polymers and other glass‐forming liquids, J. American Chem. 

Society, 77 (1950), 3701 

82. Y. S. Song: Rheological characterization of carbon nanotubes/poly9ethylene oxide) 

composites, Pheol Acta, 46 (2006), 231 

83.  S.S.  Ray, M.  Okamoto:  Polymer/layered  silicate  nanocomposites:  a  review  from 

preparation to processing, Prog. Polym. Sci. 28 (2003) 1539–1641 

84. K. Wang,  S.  Y.  Yang,  L.  Fan, M.  Sh.  Zhan,  J. G.  Liu: Preparation  and Properties of 

Molecular‐Weight‐Controlled  Polyimides  Derived  from  1,4‐Bis  (4’‐amino‐2’‐ 

trifluoromethylphenoxy) benzene and 4,4’ Oxydiphthalic Anhydride, Journal of Polymer 

Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 44, 1997–2006 (2006) 

85.  S.  Sinha  Ray,  K.  Okamoto,  M.  Okamoto:  Structure–property  relationship  in 

biodegradable  poly(butylene  succinate)/  layered  silicate  nanocomposites. 

Macromolecules 2003; 36: 2355–67 

63  

86.  S.  Burow,  A.  Peterlin,  D.T.  Turner:  Increasing  viscosity  of  polymer  solutions with 

increasing shear stress, Journal of Polymer Science, Part B: Polymer letters, 2, 67, 1964 

87. S. Ding, W. T. Petuskey: Solutions to Fick’s second law of diffusion with a sinusoidal 

excitation, Solid State Ionics 109 (1998) 101–110 

88. W. E. Boyce, R. C. DiPrima: Elementary Differential Equations and Boundary Value 

Problems, 8th Edition, Rensselaer Polytechnic Institute, 2005, 612‐615 

89. Crank  J: The Mathematics of Diffusion, 2nd Edition, 1975, Oxford University Press, 

London 

90. D. D. Deppe and  J. M. Torkelson: Small Molecule Probe Diffusion  in Thin Polymer 

Films  Near  the  Glass  Transition:  A  Novel  Approach  using  Fluorescence  Nonradiative 

Energy Tranfer, Polymeric Materials Science and Engineering, Vol. 73, (1995), 388‐389 

91. K. E. Miller, R. H. Krueger, J. M. Torkelson: Smart Polymeric Films: Sensing of Cure 

and Water Sorption and Diffusion  in Multi‐Layered Polymeric Coating by Fluorescence 

Spectroscopy, Polymeric Materials Science and Engineering, Vol. 73, (1995), 555‐556 

92. G. Giuliana, T. Mariarosaria, V. Vittoria, P. Eric, L. Bénédicte, A. Michael, D. Philippe: 

Vapor barrier properties of polycaprolactone montmorillonite nanocomposites: effect of 

clay dispersion, Polymer 44 (2003) 2271–2279 

93.  P.  S.  Tin,  T.  S.  Chung,  Y.  Liu,  R.  Wang:  Chemical  Cross‐linking  Modification  on 

Polyimide Membrane for Gas Separation, Journal of Membrane Science 189 (2001) 231–

239 

64  

94.    Sadtler  Spectral Handbooks:  Published  by  Bio‐Rad  Laboratories,  Inc.,  Informatics 

Division. © 1978‐2004 Bio‐Rad Laboratories 

95. V. Ratta: Crystallization, Morphology, Thermal stability and Adhesive Properties of 

Novel High Performance semi crystalline polyimide, Dissertation of Virginia Polytechnic 

Institute and State University, 13, 1999 

96. H. W. Wang, R. X. Dong, H. C. Chu, K.C. Chang, W. C,  Lee:  Improvements on  the 

synthesis and properties of fluorinated polyimide–clay nanocomposites by using double‐

swelling agents, Materials Chemistry and Physics 94 (2005) 42–51 

97.  O.Khayankarn,  R.  Magaraphan,  J.  W.  Schwank:  Adhesion  and  Permeability  of 

Polyimide–Clay 

Nanocomposite Films  for Protective Coatings,  Journal of Applied Polymer Science, Vol. 

89, (2003) 2875 – 2881 

98. Y.H. Zhang, Z. M. Dang, S. Y. Fu, J. H. Xin, J. G. Deng, J. Wu, S. Yang, L. F. Li, Q. Yan: 

Dielectric and dynamic mechanical properties of polyimide–clay nanocomposite  films, 

Chemical Physics Letters 401 (2005) 553–557 

99.  B.  H.  Stuart:  Infrared  Spectroscopy  Fundamentals  and  Applications,  (Analytical 

Techniques in the Sciences (AnTs), 2004 

100. K.P. Pramoda, T.S. Chung, S.L. Liu, H. Oikawa, A. Yamaguchi: Characterization and 

thermal degradation of polyimide  and polyamide  liquid  crystalline polymers, Polymer 

Degradation and Stability 67 (2000) 365‐374 

65  

101. F. Y. Hshieh, D. Hirsch, H. Beeson: Evaluation of Polyimide Foam as a Fire Barrier for 

Spacecraft Cushion Materials, Journal of Fire Sciences, Vol. 21, ( 2003) 485‐501 

102. V.E. Yudin, J.U. Otaigbe, S. Gladchenko, B.G. Olson, S. Nazarenko, E.N. Korytkova, 

V.V.  Gusarov:  New  polyimide  nanocomposites  based  on  silicate  type  nanotubes: 

Dispersion, processing and properties, Polymer 48 (2007) 1306‐1315 

   

66  

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

RPM, r/m 20 30 50 60 100

ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1

ln viscosity VS 1/T of pure PI

 

Figure 3.1.1 ln viscosity VS 1/T of Polyimide 

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

RPM, r/m 20 30 50 60 100Ln

Vis

cosi

ty, l

n cp

1/T, K-1

ln Viscosity VS 1/T of 0.01% Clay

 

Figure 3.1.2 ln viscosity VS 1/T of 0.01% Organoclay 

 

67  

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

ln viscosity VS 1/T of 0.05% Clay

RPM, r/m 20 30 50 60 100

ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1  

Figure 3.1.3 ln viscosity VS 1/T of 0.05% Organoclay

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

2.5

3.0

3.5

4.0

RPM, r/m 20 30 50 60 100ln

Vis

cosi

ty, l

n cp

1/T, K-1

ln viscosity VS 1/T of 0.10% Clay

 

Figure 3.1.4 ln viscosity VS 1/T of 0.10% Organoclay 

 

68  

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1/T, K-1

ln V

isco

sity

, ln

cp

RPM r/m 20 30 50 60 100

ln viscosity VS 1/T of 0.25% Clay

 

Figure 3.1.5 ln viscosity VS 1/T of 0.25% Organoclay

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

RPM r/m 20 30 50 60 100

1/T, K-1

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln viscosity VS 1/T of 0.50% Clay

 

Figure 3.1.6 ln viscosity VS 1/T of 0.50% Organoclay 

 

69  

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

2.5

3.0

3.5

4.0

RPM r/m 20 30 50 60 100

1/T, K-1

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln viscosity VS 1/T of 1.00% Clay

 

Figure 3.1.7 ln viscosity VS 1/T of 1.00% Organoclay 

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

3.5

4.0

4.5

5.0

RPM r/m 20 30 50 60 100

ln viscosity VS 1/T of 1.50% Clay

ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1 

Figure 3.1.8 ln viscosity VS 1/T of 1.50% Organoclay 

 

70  

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

3.5

4.0

4.5

5.0 ln viscosity VS 1/T of 2.00% Clay

ln V

isco

sity

, ln

cp

RPM r/m 20 30 50 60 100

1/T, K-1 

Figure 3.1.9 ln viscosity VS 1/T of 2.00% Organoclay 

 

 

 

 

 

 

 

 

71  

0.0028 0.0030 0.0032 0.0034

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

RPM, r/m 10 20 30 50 60 100Ln

Vis

cosi

ty, l

n cp

1/T, K-1

ln Viscosity VS 1/T of 0.01% PANi-Clay

 

Figure 3.1.10 ln viscosity VS 1/T of 0.01% PANi­Clay 

0.0029 0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.00342.5

3.0

3.5

4.0

4.5

RPM, r/m 20 30 50 60 100Ln

Vis

cosi

ty, l

n cp

1/T, K-1

ln viscosity VS 1/T of 0.05% PANi-Clay

 

Figure 3.1.11 ln viscosity VS 1/T of 0.05% PANi­Clay 

 

72  

0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034

2.5

3.0

3.5

4.0

RPM, r/m 30 50 60 100

Ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1

ln viscosity VS 1/T of 0.25% PANi-Clay

 

Figure 3.1.12 ln viscosity VS 1/T of 0.25% PANi­Clay 

0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

RPM, r/m 20 30 50 60 100

1/T, K-1

Ln V

isco

sity

, ln

cp

ln viscosity VS 1/T of 0.50% PANi-Clay

 

Figure 3.1.13 ln viscosity VS 1/T of 0. 50% PANi­Clay 

 

73  

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

T, oC 25 35 45 55 65 75 85 95

ln v

isco

sity

, ln

cp

ln shear rate, ln rpm

Pure PI

 

Figure 3.1.14 ln viscosity VS ln shear rate of Polyimide 

4.0 4.5 5.0 5.5 6.01.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85ln

vis

cosi

ty

0.01% Clay

 

Figure 3.1.15 ln viscosity VS ln shear rate of 0.01% OC 

 

74  

3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85

ln v

isco

sity

, ln

cp

0.05% clay

 

Figure 3.1.16 ln viscosity VS ln shear rate of 0.05% OC 

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85

ln v

isco

sity

, ln

cp

0.10% Clay

 

Figure 3.1.17 ln viscosity VS ln shear rate of 0.10% OC 

 

75  

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85ln

vis

cosi

ty

0.25% Clay

 

Figure 3.1.18 ln viscosity VS ln shear rate of 0.25% OC 

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85

ln v

isco

sity

, ln

cp

0.50% Clay

 

Figure 3.1.19 ln viscosity VS ln shear rate of 0.50% OC 

 

76  

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8

2.5

3.0

3.5

4.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85

ln v

isco

sity

, ln

cp

1.00% Clay

 

Figure 3.1.20 ln viscosity VS ln shear rate of 1.00% OC 

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.83.0

3.5

4.0

4.5

5.0

ln shear rate, ln rpm

25 35 45 55 65 75 85

ln v

isco

sity

, ln

cp

1.50% Clay

 

Figure 3.1.21 ln viscosity VS ln shear rate of 1.50% OC 

 

77  

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8

3.5

4.0

4.5

5.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85

ln v

isco

sity

, ln

cp

2.00% Clay

 

Figure 3.1.22 ln viscosity VS ln shear rate of 2.00% OC 

3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.01.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65 75 85 95

ln v

isco

sity

, ln

rpm

0.01% PANi-Clay

 

Figure 3.1.23 ln viscosity VS ln shear rate of 0.01% PC 

 

78  

3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.02.5

3.0

3.5

4.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55 65ln

vis

cosi

ty, l

n cp

0.05% PANi-Clay

 

Figure 3.1.24 ln viscosity VS ln shear rate of 0.05% PC 

4.4 4.8 5.2 5.6 6.0

2.5

3.0

3.5

4.0

ln shear rate, ln rpm

T, oC 25 35 45 55

ln v

isco

sity

, ln

cp

0.25% PANi-Clay

 

Figure 3.1.25 ln viscosity VS ln shear rate of 0.25% PC 

 

79  

4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.02.0

2.5

3.0

3.5

4.0

T, oC 25 35 45 55

ln v

isco

sity

, ln

cp

ln shear rate, ln rpm

0.50% PANi-Clay

 

Figure 3.1.26 ln viscosity VS ln shear rate of 0. 50% PC 

 

 

 

 

80  

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

PANi-Clay Organoclay

Torq

ue %

RPM, r/m

0.01% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.27 Comparison of PC and OC at 0.01% ­1 

4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.03.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

PANi-Clay Organoclay

ln v

isco

sity

, ln

cp

ln shear rate, ln rpm

0.01% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.28 Comparison of PC and OC at 0.01% ­2 

 

81  

12.8 13.6 14.4 15.2 16.03.2

3.6

4.0

4.4

PANi-Clay Organoclay

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress

0.01% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.29 Comparison of PC and OC at 0.01% ­3 

0.0028 0.0030 0.0032 0.00342.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

PANi-Clay Organoclay

Ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1

0.01% Clay, RPM=100 r/m

 

Figure 3.1.30 Comparison of PC and OC at 0.01% ­4 

 

82  

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

PANi-Clay Organoclay

Torq

ue %

RPM, r/m

0.05% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.31 Comparison of PC and OC at 0.05% ­1 

4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0

3.6

4.0

4.4

PANi-Clay Organoclay

ln v

isco

sity

, ln

cp

ln shear rate, ln rpm

0.05% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.32 Comparison of PC and OC at 0.05% ­2 

 

83  

12.8 13.6 14.4 15.2 16.0 16.8

3.6

4.0

4.4

PANi-Clay Organoclay

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.05% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.33 Comparison of PC and OC at 0.05% ­3 

0.0029 0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.00343.0

3.5

4.0

4.5

PANi-Clay Organoclay

Ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1

0.05% Clay, RPM=100

 

Figure 3.1.34 Comparison of PC and OC at 0.05% ­4 

 

84  

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

PANi-Clay Organoclay

Torq

ue %

RPM, r/m

0.25% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.35 Comparison of PC and OC at 0.25% ­1 

4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0

3.0

3.5

4.0

PANi-Clay Organoclay

ln v

isco

sity

, ln

cp

ln shear rate, ln rpm

0.25% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.36 Comparison of PC and OC at 0.25% ­2 

 

85  

12.8 13.6 14.4 15.2 16.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

PANi-Clay Organoclay

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.25% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.37 Comparison of PC and OC at 0.25% ­3 

0.0029 0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.00343.0

3.5

4.0

4.5

PANi-Clay Organoclay

Ln V

isco

sity

, ln

cp

1/T, K-1

0.25% Clay, RPM=100 r/m

 

Figure 3.1.38 Comparison of PC and OC at 0.25% ­4 

 

86  

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

PANi-Clay OrganoclayTo

rque

%

RPM, r/m

0.50% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.39 Comparison of PC and OC at 0.50% ­1 

4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.03.0

3.5

4.0

4.5

PANi-Clay Organoclay

ln v

isco

sity

, ln

cp

ln shear rate, ln rpm

0.50% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.40 Comparison of PC and OC at 0.50% ­2 

 

87  

13.6 14.4 15.2 16.0

3.2

3.6

4.0

4.4

PANi-Clay Organoclay

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.50% Clay, T=25oC

 

Figure 3.1.41 Comparison of PC and OC at 0.50% ­3 

0.0030 0.0031 0.0032 0.0033 0.00343.0

3.5

4.0

4.5

Ln V

isco

sity

, ln

cp

PANi-Clay Organoclay

1/T, K-1

0.50% Clay, RPM=100

 

Figure 3.1.42 Comparison of PC and OC at 0.50% ­4 

 

88  

10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

2.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.4

T, oC2535455565758595ln

Vis

cosi

ty, l

n cp

ln shear stress, ln pa

Pure PI

 

Figure 3.1.43 ln viscosity VS ln shear stress of PI 

10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.01.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

T, oC 25 35 45 55 65 75 85

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.01% Clay

 

Figure 3.1.44 ln viscosity VS ln shear stress of 0.01% OC 

 

89  

10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.05% clay

 

Figure 3.1.45 ln viscosity VS ln shear stress of 0.05% OC 

10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.10% Clay

 

Figure 3.1.46 ln viscosity VS ln shear stress of 0.10% OC 

 

90  

10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.25% Clay

 

Figure 3.1.47 ln viscosity VS ln shear stress of 0.25% OC 

11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

ln shear stress, ln pa

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

0.50% Clay

 

Figure 3.1.48 ln viscosity VS ln shear stress of 0.50% OC 

 

91  

11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5

2.5

3.0

3.5

4.0

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

1.00% Clay

 

Figure 3.1.49 ln viscosity VS ln shear stress of 1.00% OC 

11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.53.0

3.5

4.0

4.5

5.0

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

1.50% Clay

 

Figure 3.1.50 ln viscosity VS ln shear stress of 1.50% OC 

 

92  

12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5

3.5

4.0

4.5

5.0

T, oC25354555657585

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

2.00% Clay

 

Figure 3.1.51 ln viscosity VS ln shear stress of 2.00% OC 

12.0 12.8 13.6 14.4 15.2 16.0 16.8

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

T, oC 25 35 45 55 65 75 85 95

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.01% PANi-Clay

 

Figure 3.1.52 ln viscosity VS ln shear stress of 0.01% PC 

 

93  

12.8 13.6 14.4 15.2 16.0

2.8

3.2

3.6

4.0

4.4

T, oC 25 35 45 55 65

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.05% PANi-Clay

 

Figure 3.1.53 ln viscosity VS ln shear stress of 0.05% PC 

12.8 13.6 14.4 15.2 16.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

T, oC 25 35 45 55

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.25% PANi-Clay

 

Figure 3.1.54 ln viscosity VS ln shear stress of 0.25% PC 

 

94  

12.8 13.6 14.4 15.2 16.02.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

T, oC 25 35 45 55

ln V

isco

sity

, ln

cp

ln shear stress, ln pa

0.50% PANi-Clay

 

Figure 3.1.55 ln viscosity VS ln shear stress of 0.50% OC 

 

 

 

 

95  

0 2 4 6 8 10 12 14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

PI

 

Linear fit for t1/2> 5 

4 6 8 10 12

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

PI Linear Fit

 

Figure 3.3.1 Flux of water with time for PI 

 

96  

0 2 4 6 8 10 12 14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mw

]/[M

inf]

PI, repeated

  

Linear fit for t1/2> 5 

4 6 8 10 12 14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

PI, repeated Linear Fit

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2 

Figure 3.3.1­2 Flux of water with time for PI (Repeated) 

 

97  

0 2 4 6 8 10 12 14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mw

]/[M

inf]

PI, Repeated PI

 

Linear fit for t1/2> 5 

4 6 8 10 12 14

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

PI, repeated Linear Fit PI Linear Fit

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2 

Figure 3.3.1­3 Comparison of PI vs repeated one 

 

98  

0 2 4 6 8

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

0.05%

 

Linear fit for t1/2> 5 

4 6 8

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

0.05% Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.2 Flux of water with time for 0.05% OC­PI 

 

99  

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

0.1%

 

Linear Fit for t1/2>5 

8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

0.1% Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.3 Flux of water with time for 0.10% OC­PI 

 

100  

0 2 4 6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

0.25% Clay

 

Linear Fit for t1/2>5 

6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

0.25 Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.4 Flux of water with time for 0.25% OC­PI 

 

101  

0 2 4 6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mw

]/[M

inf]

0.25% Clay, repetead

 

Linear Fit for t1/2>5 

6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

0.25 Clay, repeated Linear Fit

 

102  

Figure 3.3.4­2 Flux of water with time for 0.25% OC­PI 

(RP) 

 

0 2 4 6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mw

]/[M

inf]

0.25% Clay, repetead 0.25% Clay

 

Linear Fit for t1/2>5 

103  

6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

0.25 Clay, repeated Linear Fit 0.25 Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.4­3 Comparison of 0.25% OC­PI VS repeated one 

 

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

0.5% Clay

t1/2, hr1/2 

Linear Fit for t1/2>5 

104  

4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

0.5% Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.5 Flux of water with time for 0.50% OC­PI 

 

2 4 6 8 10 12

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mw

]/[M

inf]

1.0% Clay

 

Linear Fit for t1/2>5 

105  

4 6 8 10 12

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mt]/

[Min

f]

1.0% Clay Linear FIt

 

Figure 3.3.6 Flux of water with time for 1.00% OC­PI 

 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

1.5% Clay

 

Linear Fit t1/2>5 

106  

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0[M

w]/[

Min

f]

t1/2, hr1/2

1.5% Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.7 Flux of water with time for 1.50% OC­PI 

 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[Mw

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

2.0% Clay

 

Linear Fit t1/2>5 

107  

4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[Mw

]/[M

inf]

2.0% Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.8 Flux of water with time for 2.00% OC­PI 

 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

[MW

]/[M

inf]

t1/2, hr1/2

5.0% Clay

 

Linear Fit t1/2>5 

108  

4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

t1/2, hr1/2

[MW

]/[M

inf]

5.0% Clay Linear Fit

 

Figure 3.3.9 Flux of water with time for 5.00% OC­PI 

 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.01% PANi-clay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2 

Linear Fit t1/2 > 5 hr1/2 

109  

8 12 16 200.0

0.4

0.8

1.2 0.01% PANi-Clay Linear Fit

t1/2, hr1/2

Mw

/Min

f

 

Figure 3.3.10 Flux of water with time for 0.01% PANiclay­PI 

 

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 0.05% PANi-Clay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2 

Linear Fit t1/2 > 5 hr1/2 

110  

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.05% PANi-Clay Linear Fit

t1/2, hr1/2

Mw

/Min

f

 

Figure 3.3.11 Flux of water with time for 0.05% PANiclay­PI 

 

0 5 10 15 20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 0.25% PANi-Clay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2 

Linear Fit t1/2 > 5 hr1/2 

111  

6 8 10 12 14 16 18 20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.25% PANi-Clay Linear Fit

t1/2, hr1/2

Mw

/Min

f

 

Figure 3.3.12 Flux of water with time for 0.25% PANiclay­PI 

 

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 0.50% PANi-Clay

Mw

/Min

f

t1/2, hr1/2 

Linear Fit t1/2 > 5 hr1/2 

112  

6 8 10 12 14 16

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.50% PANi-Clay Linear Fit

t1/2, hr1/2

Mw

/Min

f

 

Figure 3.3.13 Flux of water with time for 0.50% PANiclay­PI 

 

 

Figgure 3.44.1.1 FTI

b

IR Spect

before a

113 

trum of 

 and afte

f neat po

er diffus

olyimide

ion 

e membbrane 

 

Figure  3.4.1.2 

memb

 FTIR Sp

brane be

114 

pectrum

efore an

m of 0.01

nd after 

1% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

Figure  3.4.1.3 

memb

 FTIR Sp

brane be

115 

pectrum

efore an

 

m of 0.05

nd after 

5% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

 

Figure  3.4.1.4 

memb

 FTIR Sp

brane be

116 

pectrum

efore an

 

m of 0.10

nd after 

0% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

 

Figure  3.4.1.5 

memb

FTIR Sp

brane be

117 

pectrum

efore an

 

m of 0.25

nd after 

5% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

 

Figure  3.4.1.6 

memb

FTIR Sp

brane be

118 

pectrum

efore an

 

m of 0.50

nd after 

0% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

 

Figure  3.4.1.7 

memb

 FTIR Sp

brane be

119 

pectrum

efore an

m of 1.00

nd after 

0% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

Figure  3.4.1.8 

memb

 FTIR Sp

brane be

120 

pectrum

efore an

 

m of 1.50

nd after 

0% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

 

Figure  3.4.1.9 

memb

 FTIR Sp

brane be

121 

pectrum

efore an

 

m of 2.00

nd after 

0% Orga

 diffusio

anoclay­

on 

­PI 

 

 

FFigure 3 3.4.1.10

memb

 FTIR Sp

brane be

122 

pectrum

efore an

 

m of 5.00

nd after 

0% Orga

 diffusio

anoclay

on 

y­PI 

 

 

Figuree 3.4.1.1

memb

1 FTIR S

brane be

123 

 Spectru

efore an

um of 0.0

nd after 

01% PA

 diffusio

ANiclay­P

on 

PI 

 

 

Figuree 3.4.1.1

memb

2 FTIR S

brane be

124 

 Spectru

efore an

um of 0.0

nd after 

05% PA

 diffusio

ANiclay­P

on 

PI 

 

 

 

Figuree 3.4.1.1

memb

3 FTIR S

brane be

125 

 Spectru

efore an

um of 0.2

nd after 

25% PA

 diffusio

ANiclay­P

on 

 

PI 

 

Figuree 3.4.1.1

memb

4 FTIR S

brane be

126 

 Spectru

efore an

 

um of 0.5

nd after 

50% PA

 diffusio

ANiclay­P

on 

 

PI 

Fi

F

 

igure 3.4

Figure 3

 

 

4.2.1 SE

3.4.2.3 SE

EM of PI 

EM of 0.

 10K vs 

.10% OC

O

127 

Figure 3

C­PI 10K

OC­PI 10

 3.4.2.2 S

K vs Figu

0K 

SEM of 0

ure 3.4.

 0.05% O

2.4 SEM

 

OC­PI 10

 

M of 0.25

0K 

5% 

128  

 

Figure 3.4.2.5 SEM of Polyimide 50K vs Figure 3.4.2.6 SEM of 0.05% 

OC­PI 50K 

 

Figure 3.4.2.7 SEM of 0.10% OC­PI 50K vs   Figure 3.4.2.8 SEM of 0.25% 

OC­PI 50K 

 

 

129  

 

Figure 3.4.2.9 SEM of PI after diffusion 10K vs Figure 3.4.2.10 SEM of PI after 

diffusion 50K