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为提高聚合物膜的气体分离性能，采用掺杂和共混方法，制备了微囊填充型、共混型及共混-杂化型三类改性聚酰亚胺膜，并用于CO2/CH4和CO2/N2体系的分离。系统研究了高分子与有机微囊、无机粒子及高分子与高分子之间的相关作用及其对膜结构、物理化学性质和气体分离性能的影响。受生物细胞中囊泡结构和保水功能的启发，采用沉淀共蒸馏法合成了有机高分子咪唑微囊（IMCs），并将其填充到聚酰亚胺（PI）高分子膜基质内，制备了高性能混合基质膜（PI/IMCs），并用于CO2/CH4体系的分离。考察了不同聚酰亚胺/微囊配比和不同操作条件（加湿、压力、温度）对膜性能的影响。结果表明，咪唑微囊在膜内分散均匀，与高分子基质相容性好；微囊的引入显著降低了聚酰亚胺膜的结晶度，提高了膜表面的亲水性，促进了CO2在膜中的溶解和传递，分离性能明显提高。其中，微囊填充量为5wt.%的PI/IMCs-5膜的CO2渗透系数可达250Barrer；CO2/CH4的选择性达到51.1。采用浓硫酸磺化合成了磺化聚醚醚酮（SPEEK），将其与聚酰亚胺共混，制备了高性能共混膜（PI/SPEEK），并用于CO2/CH4和CO2/N2体系的分离。考察了不同聚酰亚胺/磺化聚醚醚酮配比和不同操作条件（压力、温度）对膜的物理化学性质及分离性能的影响。结果表明，SPEEK的引入使膜内产生微相分离行为，适宜的微相分离提高了膜表面的亲水性，从而提高了膜的吸水率和溶胀度，促进了CO2在膜中的溶解和传递，增强了膜的渗透性能。其中，PI/SPEEK6-80膜分离CO2/CH4体系时，CO2渗透系数可达469.8Barrer，CO2/CH4选择性达47.3；分离CO2/N2体系时，CO2渗透系数达570.4Barrer；CO2/N2选择性达55.4。采用St ber法合成了粒径为150nm左右的二氧化硅（SiO2）纳米粒子，将其填充到PI与SPEEK共混高分子基质内，制备了高性能共混杂化改性聚酰亚胺膜（PI/SPEEK-SiO2），并用于CO2/CH4和CO2/N2体系的分离。考察了不同聚合物配比和二氧化硅粒子掺杂量及不同操作条件（压力、温度）对膜物理化学性质及分离性能的影响。结果表明，SiO2的引入提高了膜的结晶度，提高了膜表面的亲水性，提高了膜内的吸水率和溶胀度，从而提高了膜的分离选择性。其中，PI/SPEEK6-80-8%SiO2膜分离CO2/CH4体系时，CO2渗透系数达109.04Barrer，CO2/CH4选择性达85.10；分离CO2/N2体系时，CO2渗透系数达116.32Barrer；CO2/N2选择性达85.02。