两性离子在聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面接枝改性的研究

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聚偏氟乙烯(PVDF)是一种性能优良的膜材料,化学稳定性强、耐热、耐辐射、抗污染,在众多领域得到广泛应用,但其表面能低,憎水性强,易受污染,致使发展受到限制。本文选用两性离子基团3-(甲基丙烯酰胺基)丙基-二甲基(3-磺酸)氢氧化铵(MPDSAH)作为接枝单体,通过三种不同方法对PVDF膜进行表面接枝改性,以此增强膜表面亲水性,提高其抗污染性能。以牛血清蛋白(BSA)作为有机污染物代表物质表征膜改性前后的抗污染性能。采用全反射红外光谱仪(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)以及接触角测定仪分析了改性前后膜表面性质及其结构形态变化。首先是通过紫外照射对PVDF膜进行接枝改性。以二苯甲酮为光敏剂,经紫外照射,在PVDF膜表面产生自由基,然后在空气中形成羟基。在氮气保护下,以硝酸铈铵(CAN)为引发剂,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,反应温度为40℃,将MPDSAH单体接枝到膜的表面。结果表明,在光照时间为30min,接枝单体浓度为2%时,膜表面接触角由77.2°降至59°。此时膜亲水性较好,膜纯水通量较易稳定,但改性前后对BSA的去除率并无明显变化。然后又通过溶液自由基聚合反应,仍以CAN为引发剂,反应温度为40℃,在氮气保护下,使PVDF膜与MPDSAH直接反应。结果表明,当接枝单体溶液质量分数为2%时,接触角最小,为50.8°,且在20s内迅速降为0,则此时膜的亲水性是最好的,而且膜的通量恢复率最高。过滤循环次数越多,效果越明显。由此可见,经改性,其抗污染性能明显提高。最后是通过两步反应对PVDF膜进行接枝改性的。首先采用原子转移自由基反应(ATRP),将甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)接枝到聚偏佛乙烯(PVDF)膜表面;再以硝酸铈铵(CAN)为引发剂,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,通过自由基聚合反应将两性离子单体MPDSAH成功接枝到膜表面。随着接枝密度的增加,在高浓度BSA溶液中膜表面吸附量明显减少。当接枝量为288.34μg·cm-2时,膜表面接触角由77.2°降至41.7°,且在5s内降为0,通量恢复率高达95.0%。由此可见,经改性,膜表面亲水性大大增强,抗污染性能得到明显改善。
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