聚丙烯微孔膜的仿生矿化改性及其性能研究

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聚丙烯微孔膜具有化学稳定性好、机械强度高、成本低等优点,在清洁水再生领域应用前景广阔。但是聚丙烯分子中仅含C-C键和C-H键,材料本身疏水,同时膜的粗糙多孔形貌又进一步增大了其疏水性,由此限制了聚丙烯膜在水性介质中的使用。所以,提高聚丙烯微孔膜的表面亲水性具有重要的科学意义和实用价值。本文师法自然界中的生物矿化过程,依据矿化中的基质媒介原则,建立了一种在膜孔表面构建亲水矿物涂层的方法,实现了超亲水、高水通量的聚丙烯微孔膜的制备。同时在此基础上对矿物涂覆的机理以及矿化改性膜的应用性能进行了深入探讨。全文主要内容如下:  采用紫外光诱导接枝在聚丙烯微孔膜表面固定聚丙烯酸,通过荧光探针和羧基的反应证实聚丙烯酸均匀分布于整张膜中,为后续矿化提供了优异的平台。在此基础上采用交替浸渍法于膜表面进行矿化。组合ATR/FT-IR、XRD、FE-SEM等分析手段对矿化改性过程进行表征,着重考察了矿化条件如聚丙烯酸接枝率、溶液浓度、循环次数等对涂层形貌的影响规律,确定了最优矿化条件。改性后的膜表面覆盖了由碳酸钙纳米颗粒组成的均匀矿物涂层,呈现超亲水特性。通过石英晶体微天平和椭圆偏振技术揭示了矿化过程中聚丙烯酸和碳酸钙的相互作用原理,解释了涂层改性效果优异的原因。  基于矿物涂层超亲水的特性,深入研究了碳酸钙矿化膜在油水分离领域的应用性能。静/动态接触角测试结果表明,改性膜在水中对水有极强的结合力,可将水分子吸附在膜表面形成斥油界面,从而对二氯乙烷、正十六烷、石油醚等模型油,汽油、柴油等常用油均表现出超疏油(CA>150°)、低油滴粘附力(SA<5°)的性质。结合膜分离技术的优势,矿化改性膜具备分离效率高(截留率>99%)、过膜压力低(重力驱动过滤)和油击穿压力高(>140kPa)的优点,为新型油水分离材料的设计提供了新思路。  从碳、氧、钙三种污染相对较小的元素出发,选取常见钙盐中溶解度最低的草酸钙作为涂层材料,对膜表面进行了改性。结合石英晶体微天平和FE-SEM探讨了矿化过程中溶液pH、浓度等实验条件对草酸钙涂层形貌的影响。最终在膜孔表面成功实现草酸钙纳米颗粒的均匀涂覆。水通量测试结果表明,相同条件下草酸钙矿化膜的使用寿命相比于碳酸钙矿化膜有所提高,拓宽了矿化改性膜的应用范围。
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