宁波材料所在聚合物微孔膜刚性界面构造方面取得进展

永利游戏网站2017年3月22日讯  近期,中科院宁波材料所刘富研究员课题组提出一种界面交联策略可以赋予聚合物微孔膜表面化学功能化,赋予其水包油乳液分离,抗蛋白污染以及抗菌特性。

聚合物微孔膜由于其窄孔径分布,分离效率高及组件易于规模化生产及应用,在油水分离和污水处理领域具有独特的优势。常用的聚合物微孔膜如聚偏氟乙烯及聚砜中空纤维膜,在处理含油污水时膜污染严重,导致通量下降,跨膜压差上升,清洗成本上升。主要是膜表面具有较强的疏水性,膜表面水分子层的稳定性较差,水下对油的亲和能力强,导致油污易于吸附污染;此外疏水性的表面易导致蛋白质等有机物的污染以及水体中细菌微生物的滋生污染。因此,调控聚合物微孔膜的表面的亲疏水性、抗污性、抗菌性具有重要的研究价值。

该方法首先合成含硅烷偶联剂的功能化预聚物,通过对微孔膜的微溶胀、吸附、水解、缩合及交联反应将PVP、POEGMA及PDMAEMA等官能分子固定在膜及膜孔表面,从而实现其多功能特性,该改性过程从功能分子的操控路径上可以看做Top down过程,如图一所示(Journal of Membrane Science, 2016,520,769-778),该策略可实现多种膜材料表面的功能化,特别适用于受污染膜材料和膜组件的亲水性、抗菌等功能再生。

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图一 聚合物微孔膜的界面交联(Top down)策略及油水分离、抗污染、抗菌功能化

聚合物微孔膜常通过超浸润表面的构筑来实现油水混合物或者油水乳液的分离,上述工作中已经通过具有微纳结构的超亲水表面的设计实现了水包油乳液的初步分离,但是上述聚合物基的微纳结构由于其内在的蠕变特性,易在水体的压力或者流体剪切作用下蠕变导致微纳结构及超浸润特性消失。我们通过在柔性聚合物微孔膜表面负载刚性纳米粒子,以解决聚合物基微纳结构表面易蠕变不稳定问题。首先通过基于硅烷偶联剂的界面聚合改性TiO2纳米粒子,得到亲水性TiO2纳米粒子,然后通过相转化及模板法制备具有初级微纳结构表面的聚乳酸微孔膜,膜表面的微纳孔及多尺度纤维可以捕捉,限制,并固定亲水性TiO2纳米粒子,形成刚性微纳表面。该超亲水聚乳酸微孔膜可实现水与甲苯、石蜡油、大豆油及润滑油等油水混合物的高效分离,在10次循环之后对重油仍具有高的分离效率,且对BSA和墨水具有良好的截留及抗污染性能。上述结果表明在传统聚合物微孔膜表面构造刚性纳米粒子界面,以提高其表面功能稳定性,在理论以及技术上具有可行性及适用性。上述工作已被Journal of Materials Chemistry A(DOI: 10.1039/c6ta11156d)接受(第一作者为熊竹副研究员和林海波)。因此通过基于硅烷偶联剂的界面聚合可以实现微孔膜表面的功能化,还可以实现纳米粒子的功能化并进一步构造刚性稳定界面,对于油水分离、抗污、抗菌等具有重要意义。

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图二 柔性聚乳酸微孔膜的纳米刚性界面构筑及油水分离

上述工作得到了国家基金委(5161101025, 51603215, 51673209,51473177)及中科院青年创新促进会(2014258)的大力支持。

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