中空纖維膜的表面結(jié)構(gòu)調(diào)控及性能研究.pdf

1、聚砜(PSF)、聚丙烯(PP)等是常見(jiàn)的有機(jī)聚合物膜材料，但由于它們具有較強(qiáng)的疏水性，在應(yīng)用過(guò)程中極易被污染，造成膜通量的衰減、膜利用率和膜壽命的降低以及膜應(yīng)用成本的增高，因此開(kāi)發(fā)新型親水性膜或?qū)ΜF(xiàn)有膜材料進(jìn)行親水改性具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。紫外輻照法具有反應(yīng)條件溫和、工藝簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)節(jié)且反應(yīng)只能在材料表面發(fā)生等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的表面改性方法。為解決常見(jiàn)的有機(jī)聚合物膜易污染的問(wèn)題，本文采用紫外光輻照接枝法，分別通過(guò)添加光敏劑與

2、否、改變單體的相對(duì)分子質(zhì)量大小及調(diào)整單體的親水性官能團(tuán)的數(shù)目和分布對(duì)中空纖維膜的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，并對(duì)其性能進(jìn)行表征。優(yōu)化中空纖維膜表面改性方法，制備出親水性和抗污染性良好的中空纖維膜。本文的具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　首先，采用間歇式紫外輻照法，以聚砜和聚丙烯中空纖維膜為探針，以丙烯酸（AA）和丙烯酸羥乙酯(HEA)為單體，研究光敏劑存在與否對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明，光敏劑存在與否對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)有較大影響。無(wú)光敏劑時(shí)，

3、經(jīng)紫外輻照后聚砜中空纖維膜表面雖有親水性單體成功接枝，但聚砜膜基體結(jié)構(gòu)受到損傷，表面孔結(jié)構(gòu)增大，改性膜的截留率降低，而聚丙烯膜表面基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)單體的接枝;存在光敏劑時(shí)，紫外輻照后，聚砜和聚丙烯中空纖維膜表面均有單體成功接枝，膜表面結(jié)構(gòu)得到調(diào)控，改善了膜的親水性和抗污染性。
　　其次，采用間歇式紫外輻照法，以PSF中空纖維膜為探針，以自制的丙烯酸羥乙酯(HEA)、丙烯酸羥丙酯(3HPA)、丙烯酸丁二醇單酯(4HBA)和丙烯酸三羥甲基

4、丙烷單酯（TMPAA）四種不同的羥基丙烯酸酯為單體，研究了單體的相對(duì)分子質(zhì)量大小對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)紫外輻照后，幾種單體均能夠在膜表面成功接枝，均能在膜表面上引入親水性的羥基官能團(tuán)，使膜表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并使膜的親水性和抗污染性得到提高。相同條件下，羥基丙烯酸酯的相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子的碳鏈越長(zhǎng)，其在膜表面的接枝密度越低，引入膜表面的羥基密度越小，其對(duì)膜親水性及抗污染性的提高程度也越小;但適當(dāng)?shù)卦黾庸δ軉误w中親水性官

5、能團(tuán)羥基的數(shù)目可以增大膜表面的羥基含量，進(jìn)而可以有效地改善膜表面的親水性和抗污染性。當(dāng)TMPAA在PSF膜上的接枝密度為3.02 mmol.m-2時(shí)，膜的外表面接觸角由原膜的80°降低到改性膜的46°，純水通量由原膜的115 L.m-2.h-1增加到改性膜的173 L.m-2.h-1，對(duì)BSA的截留率由88.6％增加到93.4％，過(guò)濾BSA溶液的通量衰減率由66.4％降低到26.9％，清洗后PSF-g-TMPAA膜的通量恢復(fù)率也由68.

6、6％增加到90.5％。
　　此外，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，提高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，采用連續(xù)化紫外輻照法，以PP中空纖維膜為探針，以自制的丙烯酸羥乙酯(HEA)、丙烯酸甘油單酯(GA)和丙烯酸季戊四醇單酯(PEA)三種不同的羥基丙烯酸酯為單體，研究了羥基的數(shù)目和分布對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，使用不同單體時(shí)，可以得到不同羥基數(shù)目和分布的聚丙烯中空纖維改性膜，有效改善膜表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)和形貌。另外，通過(guò)使用不同單體對(duì)改性膜表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7、，可以顯著增加膜表面的親水性和抗污染性。相同條件下，膜表面的親水性和抗污染性隨著引入膜表面的羥基數(shù)目的增加而增強(qiáng);而羥基分布的影響相對(duì)復(fù)雜，接枝密度較低時(shí)，羥基分布越集中，膜表面的親水性和抗污染性越好，接枝密度較高時(shí)，羥基分布對(duì)膜性能的影響不明顯。當(dāng)PEA在PP中空纖維膜上的接枝密度為0.838 mmol.m-2時(shí)，膜表面的親水性和抗污染性得到顯著改善，改性膜表面的水滴僅需6.3 s就完全消失，PP-g-PEA膜的純水通量大約增加到原膜

8、純水通量的4.5倍，膜的通量衰減由原膜的56％下降為改性膜的21％，清洗后的膜的通量恢復(fù)率由原膜的34％增加到改性膜的85％。
　　本文的研究表明，通過(guò)添加光敏劑條件下親水性功能單體在膜表面的紫外輻照接枝聚合，可以實(shí)現(xiàn)膜表面結(jié)構(gòu)的調(diào)控，在膜表面引入親水性官能團(tuán)的同時(shí)不損傷膜基體結(jié)構(gòu)，能夠有效提高膜表面的親水性和抗污染性。另外，可以通過(guò)改變功能單體的相對(duì)分子質(zhì)量大小以及親水性官能團(tuán)數(shù)目和分布對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控，本文的研究為親水