基膜改性對制備的復合膜性能影響研究

陳 欣，馬毓淑

（蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070）

基膜是制得高性能復合膜的基礎，其表面的形貌形態(tài)和化學性質都將對功能層的制備和復合膜的整體性能產(chǎn)生重要影響。由于復合膜的功能層厚度極薄，且需要與基膜很好的結合在一起，因此要求基膜具有良好的界面相容性。目前，大多數(shù)反滲透復合膜的基膜為PS材料，因為更加疏水的基膜材料表面無法形成完整而致密的功能層，而PS本身也具有相對疏水性。因此，針對基膜進行改性，對提升在其上制備的復合膜性能顯得尤為重要。

1 膜材料改性

PS膜是常用的界面聚合的基膜，將親水性的高分子材料和聚砜材料共混，制備親水性更高的基膜，更適于復合膜的制備。常用的親水性高分子材料包括各種磺化的高聚物和新型的高分子聚合物。

研究指出，使用磺化聚苯醚和PS共混，制備得到的基膜孔徑增大，具有更高的孔隙率和疏松的膜結構，在其上界面聚合制備的聚酰胺復合膜，其正滲透性能得到明顯改善[1]。而使用磺化聚醚酮和PS共混，將基膜的指孔狀結構變成了海綿狀結構[2]。研究表明，磺化聚砜和磺化聚醚砜與PS共混，都可以達到改變基膜原有的空間結構的目的，從而影響復合膜性能[3]。因此，利用磺化高聚物與基膜材料共混，達到膜材料改性、改變基膜的結構，成為基膜研究的方向。

為了提高基膜的某些具體特性，例如針對PS在較高溫時結構被破壞的問題，使用共聚物聚芳醚砜酮作為基膜材料，在其上界面聚合制備聚酰胺復合納濾膜，在80℃的使用條件下表現(xiàn)出了更好的熱穩(wěn)定性。另外，聚丙烯腈、聚四氟乙烯等聚合物材料也都被用于基膜的制備。

2 共混改性

共混改性是將納米粒子或親水性好的高分子材料等放入鑄膜液中，對現(xiàn)有材料性能進行優(yōu)化，通過制膜工藝，制備出具有更高性能的基膜。共混改性具有操作簡單、效率高的優(yōu)點，可以不同程度上調整PS基膜的結構和物理化學性質。

通常，可以通過在鑄膜液中加入含有醚基、羥基或者仲酰胺基團的親水性物質，使制備的PS基膜具有高親水性和光滑的表面。朱姝[4]在利用相轉化法制備PS基膜時，分別加入親水性高分子聚合物聚乙二醇（PEG）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），得到了具有不同孔結構和化學性質的PS基膜，在其上制備聚酰胺反滲透復合膜，研究復合膜性質與基膜結構之間的關系，結果表明，親水性基膜會阻礙水相單體的擴散，使更多的聚酰胺在膜孔中生成，降低膜通量。

納米材料也逐步在共混改性中使用，如氧化硅、氧化鈦等無機納米粒子和碳納米管、石墨烯等碳納米材料，納米材料經(jīng)處理后可表現(xiàn)出良好的親水性，同時具有更高的比表面積，可以有效改善基膜的性能[5]。但混改性過程中，納米粒子與聚合物的相容性差，制膜過程中易發(fā)生團聚現(xiàn)象，需要通過表面改性來提高其界面相容性，因此，改性的效果有限。

3 表面改性

表面改性是對商品基膜的一種有效的改性方式，可以改變基膜表面的微觀結構、化學性質、親水性等。表面改性的方法可以分為兩大類，一類是通過物理作用實現(xiàn)改性，雖然有一定的改性作用，但隨著時間的推遲，改性的效果會逐漸減弱；另一類是通過物質間的化學作用來實現(xiàn)改性，比如等離子體處理和表面接枝改性，不僅改性的效果好，而且改性后的穩(wěn)定性高。

等離子體表面處理和等離子體引發(fā)接枝聚合是采用等離子體技術對基膜進行改性的兩種主要方法。表面處理主要是利用不同的等離子體氛圍，在基膜上引入羥基、羧基、氨基等親水性基團，同時基膜表面還會發(fā)生交聯(lián)反應，改變基膜的表面結構。王乃鑫等[6]利用空氣低溫等離子體在PS膜表面進行改性，發(fā)現(xiàn)改性后膜表面的Zeta電位絕對值升高，親水性提高，膜孔徑增大，抗污染能力也得到提高。王歡等[7]利用輝光放電產(chǎn)生的空氣等離子體改性PS膜，在最佳改性條件下得到了和上述類似的結果。

等離子體引發(fā)接枝聚合在膜上的應用則更為廣泛。Kim等[8]將不同的親水性單體通過低溫等離子體接枝到PS基膜上，界面聚合制備反滲透復合膜。研究結果表明，等離子體接枝提高了基膜的親水性，接枝丙烯酸（AA） 單體制備的復合膜具有最高的截留率，基膜與功能層之間的黏結性能也得到提升。程楊等[9]利用氮氣低溫等離子體將液相AA單體接枝聚合在PS基膜上，改性后基膜親水性提高，界面聚合制備的聚酰胺功能層更加致密，與基膜之間的結合力增大，制備的反滲透復合膜截留率也顯著提升。

除了對聚砜類親水基膜的改性，還有一些高分子聚合物膜，如PVDF和PP等，雖然具有很好的穩(wěn)定性和機械強度，但是其本身比較疏水，需提高基膜表面的親水性，從而實現(xiàn)在其表面進行界面聚合制備反滲透復合膜。Young等[10]分別使用氧氣、甲烷和它們1∶1的混合氣體對PVDF進行等離子體改性，實驗結果表明，等離子體處理PVDF膜顯著降低了基膜的水接觸角，從而產(chǎn)生親水表面，可以作為界面聚合的基膜，復合膜的截留率與PS基膜截留率相當，但具有更高的水通量。Kim等[7]通過等離子體技術在PP基膜上接枝AA單體，將基膜的接觸角由108°降至48°，親水性得到極大提高，并首次在PP基膜上界面聚合制備了反滲透復合膜。研究表明，強疏水性的材料通過親水性改性，特別是等離子體改性后，親水性可以得到極大的提升，使在其上界面聚合制備反滲透復合膜成為可能。

4 結語

基膜對在其上制備的復合膜性能影響越來越受到人們的重視，通過對基膜進行改性，提高其界面相容性，使其更加適合復合膜的制備。通過對基膜改性研究，必將擴大基膜的選擇范圍，使更多性能優(yōu)異的材料可以用作基膜，也對提高復合膜的分離性能具有一定的借鑒意義。