聚合物分离膜表面仿生共沉积改性及其性能研究

聚合物分离膜表面仿生共沉积改性及其性能研究

滕培峰 张 波周 宁

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摘要：聚合物分离膜进行表面改性是提高其性能和适用范围的重要手段，通过合理选择合适的改性方法，可以使分离膜具有更好的分离效能和稳定性，满足特定应用需求。本文介绍了一种利用仿生共沉积技术对聚合物分离膜进行表面改性的方法，通过对聚合物分离膜表面进行处理，采用仿生共沉积方法将功能性物质沉积在膜表面，对改性后的膜进行了性能研究，结果表明利用仿生共沉积改性可以有效提高聚合物分离膜的性能，具有良好的应用前景。

关键词：聚合物分离膜；仿生共沉积；表面改性；性能研究

聚合物分离膜是一种广泛应用于液体和气体分离领域的重要材料，其性能直接影响着分离效率。然而传统的聚合物膜存在一些问题，如渗透性较差、抗污染性能弱等。因此，对聚合物分离膜进行表面改性具有重要意义。

1 聚合物分离膜表面改性方法

聚合物分离膜是一种用于在分离过程中过滤和分离物质的关键材料。为了提高其性能和效率，可以对其表面进行改性处理[1]。一种常见的表面改性方法是通过化学方法在分离膜表面引入功能团，从而改变其表面性质。这样可以使膜表面具有特定的亲、疏水性，增强其分离性能。另外，还可以通过表面修饰技术在膜表面覆盖一层功能性材料，如纳米颗粒、聚合物等，以改善其分离效果。此外，还可以采用物理方法对分离膜表面进行改性，比如等离子体处理、离子束辅助沉积等技术。这些方法可以在不改变膜材料本身性质的情况下改善其表面性能。

2 仿生共沉积改性聚合物分离膜的制备与表征

2.1仿生结构设计

仿生共沉积改性聚合物分离膜的制备与表征，首先需要进行仿生结构设计。在设计过程中，可以借鉴自然界中的生物结构，如膜蛋白、植物细胞壁等，以实现最佳的分离效果。在仿生结构设计中，需要考虑到材料的选择、形貌、表面特性等因素[2]。首先需要选择适合的基材材料，如聚合物、陶瓷等，然后通过合适的方法制备出具有特定结构的支撑层。可以通过纳米技术、微米加工等手段来调控支撑层的表面形貌和孔隙结构，增加膜的分离效率和选择性。在膜表征方面，可以利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等技术来观察膜的表面形貌和孔隙结构，以及利用气体渗透率、水通透率等实验数据来评估膜的分离性能。通过精心设计和表征，可以制备出具有高效分离性能和稳定性的仿生共沉积改性聚合物分离膜，为水处理、气体分离等领域提供重要的技术支持。

2.2共沉积制备方法

共沉积制备方法是一种将两种或多种物质同时沉积在基底上形成复合薄膜的方法[3]。在共沉积改性聚合物分离膜的制备过程中，首先选择合适的聚合物和功能材料，将它们以适当的比例溶解在溶剂中形成共沉积溶液。然后，通过各种方法将这个溶液均匀地涂覆在基底上，使其形成一层均匀的薄膜。接着，通过适当的方法进行干燥或固化处理，使共沉积的聚合物和功能材料在基底上形成一个稳定的复合薄膜。共沉积制备方法具有操作简便、成本低廉、生产效率高等优点，使得其在制备改性聚合物分离膜中得到广泛应用。此外，通过调节共沉积溶液中聚合物和功能材料的比例，可以灵活控制薄膜的性能和结构，从而实现对膜的分离性能进行调控和优化。因此，共沉积制备方法为制备高性能的改性聚合物分离膜提供了有效途径。

2.3改性膜的表征方法

2.3.1扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（SEM）是一种常用的材料表征方法，可以用来观察材料的表面形貌和微结构。在改性聚合物分离膜的表征中，SEM可以提供高分辨率的表面形貌信息，帮助研究人员了解膜的微观结构和孔隙分布情况。通过SEM观察改性聚合物膜的表面形貌，可以评估膜的表面光滑度、孔隙大小和形状、表面覆盖物的均匀性等特征。同时，SEM还可以揭示膜材料的粗糙度和表面的结晶性质，为研究改性效果提供直观的观察依据。在制备过程中，SEM可以用来监测改性聚合物膜的形成过程，帮助优化工艺参数和控制材料的结构。此外，通过对比不同改性方式得到的膜样品的SEM图像，可以评估不同改性方法对膜结构的影响，指导膜材料的设计和改进。扫描电子显微镜是一种重要的表征方法，可以为改性聚合物分离膜的制备和性能研究提供丰富的形貌信息，促进膜材料的性能优化和应用推广。

2.3.3光谱分析

光谱分析是一种常用的改性膜表征方法，在制备与表征改性聚合物分离膜时起着重要作用。其中，红外光谱 （FTIR）是最常用的技术之一。通过FTIR技术可以分析改性膜内部的化学结构，并检测功能单体与基底聚合物间的相互作用。另外，紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）可用于表征改性膜中吸收或透射光的光谱特性，从而研究改性膜的光学性质。通过光谱分析，可以全面了解改性膜的结构与性能，为其性能优化与应用提供重要参考。

3 聚合物分离膜表面仿生共沉积改性及其性能

3.1分离性能测试

通过分离性能测试，可以了解膜的分离效率、通透性、选择性等关键参数。常用的分离性能测试包括渗透实验、截留实验和离子渗透实验等。在渗透实验中，可以通过在一侧施加压力，观察溶质在膜上的通过情况，从而评估膜的通透性能。在截留实验中，可以通过在溶液中加入不同粒径的溶质，观察其在膜上的通过情况，从而评估膜的分离效率和选择性。在离子渗透实验中，可以通过在膜上施加电场，观察离子在膜上的通过情况，从而评估膜对离子的选择性。通过以上这些分离性能测试，可以全面评估聚合物分离膜的性能表现，并优化膜的设计和制备过程，从而更好地满足实际应用中的需求。

3.2抗污染性能测试

本实验针对聚合物分离膜表面仿生共沉积改性后的抗污染性能进行了测试。首先，在实验室条件下模拟了常见的污染物，如有机物和沉积物，对膜表面的影响。通过比对原始膜和改性膜的抗污染性能，发现经过共沉积改性的膜具有更好的抗污染能力。在实验过程中，采用了一系列测试方法来评估膜的抗污染性能，包括浸泡实验、吸附实验和循环压力实验等。结果显示，改性膜在浸泡一定时间后对污染物的吸附量明显减少，而且在循环压力实验中，改性膜的通透性和分离性能保持稳定，而原始膜则出现了明显的性能下降。综合以上实验结果可知，经过表面仿生共沉积改性后的聚合物分离膜在抗污染性能上表现出色，能够有效减少污染物对膜的影响，提高膜的耐用性和稳定性，为其在水处理领域的应用提供了更加可靠的保障。

3.3机械性能测试

为了评估聚合物分离膜表面仿生共沉积改性后的机械性能，我们进行了一系列的测试。首先是拉伸测试，通过拉伸仪器施加力量来测试膜材料的抗拉强度和伸长率。结果显示，经过共沉积改性的膜材料具有更高的抗拉强度和更好的伸长性能，表明改性后的膜材料在面对外部拉力时具有更好的耐久性。其次是硬度测试，我们使用硬度计对膜材料的表面硬度进行测试。结果显示，共沉积改性后的膜材料具有更高的硬度，表明其表面更加坚固耐用。最后是抗磨损测试，通过模拟摩擦力对膜材料表面进行测试。结果显示，改性后的膜材料具有更好的抗磨损性能，表明其在实际应用中更加耐磨。综合以上测试结果可以得出，聚合物分离膜表面仿生共沉积改性显著提升了膜材料的机械性能，使其更加适用于各种工程领域的应用。

结束语

本文通过仿生共沉积技术成功改性了聚合物分离膜表面，提高了其性能，为相关领域的研究和应用提供了新思路。

参考文献

[1]杨晓彬.聚偏氟乙烯分离膜表面高效亲水化调控及性能研究[D].哈尔滨工业大学,2021.

[2]安坦,于辉,徐丽君等.聚合物分离膜表面仿生共沉积改性及其性能研究[J].高分子学报,2019,50(12):1298-1304.

[3]杨静,徐志康.聚合物分离膜的表界面工程[J].膜科学与技术,2018,38(01):1-8.