添加劑對聚砜超濾膜親水性能及過濾性能的影響分析

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(浙江理工大學材料與紡織學院，杭州　310018)

隨著科學的不斷進步，聚合物膜已經廣泛的應用到超濾、微濾、反滲透、氣體分離等方面[1-2]。其中超濾膜作為分離膜的主要形式，已在污水凈化處理、食品生產等領域有著廣泛的應用。聚砜具有成本低廉，力學性能優異，化學穩定性及耐熱性好的優點，已成為國內研究最多的超濾膜材料之一。但是聚砜膜的本身有著疏水性，所以需要改性處理，目前的主要方法是加入添加劑來改善聚砜膜的親水性能。添加劑共分為3種，有機大分子、有機小分子以及無機鹽。在現有的研究中，添加劑已經從單一材料逐漸擴展到多種材料共同混合使用，從而來改善聚砜膜的親水性能[3-6]。本文主要探究不同種類的添加劑聚乙烯吡咯烷酮PVP和聚乙二醇PEG以及不同相對分子質量的PEG對聚砜超濾膜的親水性能、過濾性能、膜的微觀結構和抗污性能之間的影響，分析聚砜超濾膜的接觸角、平衡水含量、水通量、截留率的測試結果，并確定最佳的制膜方案。

1　實　驗

1.1　實驗原料和儀器

實驗原料：聚砜樹脂(PSF)(化學純，美國蘇威集團)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(化學純，杭州藍博工業)，聚乙二醇(PEG-400，2 000，6 000)(分析純，海安石油化工)，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)(化學純，上海金山經緯化工有限公司)。

實驗儀器:HANGPING FA2004電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，電熱鼓風干燥箱(上海市實驗儀器總廠)，GG-17 500mL三口燒瓶(四川蜀牛玻璃儀器有限公司)，攪拌機(常州國華電器有限公司)，DZKW-4電子恒溫不銹鋼水浴鍋(杭州藍天化驗儀器廠)，HLK GM3125C臺式刮膜機(蘇州圣懇自動化科技有限公司)，JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(日本株式會社)，JY-82B視頻接觸角測定儀(承德鼎盛試驗機檢測設備有限公司)，SHZ-3(Ⅲ)循環水多用真空泵(鞏義市英峪華中儀器廠)，UV-PROB島津紫外可見光光度計(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)。

1.2　PSF平板膜的制備

采用浸沒相轉變法制備聚砜膜。將聚砜樹脂在80 ℃的烘箱內干燥2 h,然后稱取一定量的聚砜放入到三口燒瓶中，再分別稱量相應的添加劑PVP、PEG于三口燒瓶中，最后加入溶劑DMAc，在80℃的恒溫水浴下以1 500 Hz左右的頻率攪拌溶解，直至聚合物的溶液變得均一、穩定、透明。接著靜置脫泡24 h，在90 ℃的恒溫水浴鍋里靜置，留作后續實驗使用。在溫度25 ℃、相對濕度為70%左右的條件下進行實驗。首先打開刮膜機的電源，調整預刮膜厚度(約為75 μm)，再將靜置脫泡后的鑄膜液倒在干燥潔凈的玻璃板上，刮刀速度設為40 mm/s，利用刮刀將鑄膜液刮成厚度均勻的液態膜，令初生膜在空氣中蒸發10 s至20 s后將其迅速地放進純水凝固浴當中，待膜從玻璃板上自動脫落后[7-9]，將固態膜移至裝有去離子水的大燒杯中浸泡，每2 h換一次去離子水，這樣浸泡大致2天左右，直到膜表面不再有氣泡，便可將聚砜膜在室內晾干以備測試用。各鑄膜液配比及編號見表1，其中鑄膜液的總重量為50 g。

表1　鑄膜液配比

1.3　聚砜膜性能測試

1.3.1水通量測試

用水通量測試儀測量膜的水通量，從每塊膜上選取6個均勻且表面光滑的位置，剪成直徑為25 cm的圓形試樣，用于水通量的測定，將進水管放入盛有去離子水的桶中，出水口處用量筒接過濾后的水。開始進行測試時先預壓25 min，預壓結束后讀出10 min內通過膜的水的體積，每組膜測試6組數據，并計算平均值。按式(1)計算膜的水通量：

(1)

式中：J為膜的純水通量，L/(m2·h)；V為透過液體積，L；A為膜的有效面積，m2；T為測試時間，h。

1.3.2截留率測試

截留率也常用于表征膜的過濾性能，與水通量相反，表達的是截留某種物質的能力。首先稱取一定量的NaHPO4·12H2O和KH2PO4并用純水將其溶解，直至完全溶解，后同1 000 mL容量瓶定容即為PBS溶液，留作待用。將牛血清蛋白溶于PBS溶液后制得BSA溶液，按要求配成一系列質量分數，采用紫外分光光度計測定不同濃度的BSA溶液在280 nm處的紫外吸光度，此時便可得到一條關于BSA溶液質量分數吸光度的標準曲線用于后續查詢。將配制好的1.0 mg/mL的BSA溶液在測水通量的裝置中過濾得到濾液用紫外分光光度計測定濾液在280 nm處的紫外吸光度，從標準曲線上讀出此時所對應的質量分數Cf，并用式(2)計算：

R/%=(1-Cd/Cf)×100

(2)

式中：R為膜的截留率，%；Cd為1.0 mg/mL；Cf為濾液的質量分數。

1.3.3接觸角測試

用接觸角測定儀測試膜的接觸角，用來反應膜的親水性能[10]。將膜剪成合適長條并貼在載玻片上，放在針管對準的平臺上，調節物鏡，使研究者能夠清晰觀察液滴滴落的行為，通過調節螺旋器，使針尖出現小液滴，最后讓其在自重作用下滴落在膜上，通過鼠標控制并使捕捉液體滴落在膜時的瞬時狀態后保存，最后利用量高法測出接觸角，并做好相應記錄。

1.3.4平衡水含量測試

平衡水含量是間接反映膜的親水性或疏水性又一參數[11]。用干燥的濾紙將浸泡在水中的聚砜膜表面的水分擦干，選取一定大小的膜稱重，放在玻璃培養皿上去皮稱重，記為W；再將其置于50 ℃的烘箱中干燥5 h后稱重，記為W1，按式(3)計算平衡水含量。

EWC/%=(W-W1)/W×100

(3)

式中：W為聚砜膜的濕質量，g；W1為聚砜膜的干質量，g。

1.3.5膜的樣貌觀察

選取樣品表面均勻且光滑的部分剪取2 cm×5 cm的小長條，在裝有液氮的保溫碗中冷凍10 min(觀察膜表面無需冷凍)，之后用鑷子迅速將其脆斷，然后用導電膠固定于載物臺上，經真空噴金處理后在掃描電鏡下觀察膜的表面及截面樣貌，選擇清晰圖片進行分析對比。

1.3.6膜的抗污染性能表征

隨著過濾的進行，聚砜膜內的孔會產生不同程度的堵塞，即產生膜污染[12]，通常采用膜污染指數FI或者衰減率來表征其抗污性能[13-14]。本次實驗測試了膜的污染指數，在一定操作壓力下，用自制的水通量測試裝置進行水過濾實驗，與水通量操作不同的是，此次是要測定過濾一定量的水(50 mL)所需要的時間t1,過濾一段時間t2的水后，再測定過濾50 mL的水所需要的時間t3,最后根據式(4)計算最終的污染指數：

FI/%=(1-t1/t2)/t3×100

(4)

式中：FI為膜污染指數；t1、t2、t3為過濾時間，s。

2　結果與討論

2.1　添加劑對聚砜膜親水性能的影響

2.1.1接觸角的測試結果分析

膜表面的接觸角數值是反映膜親水性能的重要參數，接觸角小于90°的材料為親水材料，接觸角大于90°的材料為疏水性材料。圖1是聚砜膜接觸角隨各種添加劑質量分數的變化折線圖。

圖1　聚砜膜接觸角與各添加劑質量分數的關系

由圖1可知，聚砜膜在未加添加劑時接觸角為95.12°，表現為疏水性，隨著添加劑的加入，聚砜膜的接觸角下降到90°以下，即膜的親水性增強。由PVP、PEG的結構分子式可知，這兩種添加劑均為水溶性高分子添加劑，在成膜過程中會富集在膜表面，其自身的親水特性使得水滲入膜內的速率增加，膜表現的親水能力增強，膜的接觸角降低。

對于同一種質量分數的添加劑，PEG對聚砜膜親水性能的改善能力高于PVP-K30，這是因為對于相同質量分數的兩種添加劑，PEG所含的親水基團多于PVP-K30，故其表現的親水能力更強。對于同一質量分數的3種PEG添加劑，其對聚砜膜親水性能的改善能力隨著相對分子質量的升高而增大，這是由于相對分子質量大的PEG內所含的親水基團羥基個數更多，親水能力增大。對于相同種類的添加劑，聚砜膜的水接觸角隨著添加劑質量分數的增大而降低，表示聚砜膜的親水性隨添加劑質量分數的增大而增大，這是由于添加劑含的總親水基團個數增多，膜的吸水能力增大，親水增強。

2.1.2平衡水含量的測試結果分析

高分子添加劑會影響溶劑的溶解能力，改變鑄膜液中聚合物的熱力學和動力學行為，改變膜的沉淀速率，形成不同大小和數量的孔隙，這些孔相當于空心的球或圓柱，有著較大的比表面積，可以吸附更多的水，因此影響著聚砜膜的平衡水含量。經過測試，各種添加劑對聚砜膜的平衡水含量的影響如圖2所示。

圖2　聚砜膜的平衡水含量與各添加劑質量分數的關系

對于添加劑PVP，聚砜膜的平衡水含量隨其質量分數的增加而增加。對于同一相對分子質量的添加劑PEG，聚砜膜的平衡水含量隨著其質量分數的增加先升高后降低，升高是由于PEG起著致孔作用，隨著其質量分數的升高，膜內孔的數量和孔徑均會有所增大，此時吸附的水含量也增多，因此平衡水含量也增大，但進一步升高PEG質量分數，會使得鑄膜液體系粘度變得過大，從而降低了膜的沉淀速率，減少了孔的形成，因而其平衡水含量降低。

對于同一質量分數的添加劑PEG，聚砜膜的平衡水含量隨著PEG相對分子質量的升高而增大。這是由于PEG相對分子質量的增大，使得聚合物膠束聚集體的尺寸增大，加快了膜的沉淀速率，使得孔隙率增多，因此膜的平衡水含量增大。

2.2　添加劑對聚砜膜過濾性能的影響

水通量和截留率是表征聚砜膜過濾性能的兩個重要參數。通常情況下，高水通量和高截留率體現出膜優異的過濾性能。圖3和圖4分別是不同添加劑聚砜膜的水通量和截留率與添加劑質量分數的關系。

圖3　聚砜膜的水通量與添加劑質量分數的關系

圖4　聚砜膜的截留率與添加劑質量分數的關系

由圖3、圖4可以看出，對于相同種類的添加劑，聚砜膜的水通量隨著添加劑質量分數的增大呈總體上升的趨勢，截留率則相反，這是由于添加劑PVP-K30、PEG均促進了膜的多孔結構的形成，且隨著添加劑質量分數的升高，孔的數量增多，且孔徑稍有增大，因此水通量升高，截留率降低。但當添加劑PEG的相對分子質量為6 000時，隨著質量分數進一步的升高，水通量反而下降，這是由于隨著相對分子質量的增加，鑄膜液粘度增大，降低了鑄膜液的沉淀速率，故使得膜的皮層增厚，孔隙率下降，水通量下降。

對于同一質量分數的添加劑，添加劑PEG的聚砜膜水通量較PVP-K30的高，截留率較其小，理論上來講，PVP-K30利于聚砜膜形成長的指狀結構的孔，而PEG利于聚砜膜形成海綿狀結構的孔，PVP-K30應具有更高的水通量較低截留率，但實際上相反，這可能與其較易形成閉合性孔有關。對于同一質量分數的添加劑PEG，隨著其相對分子質量的增加，聚砜膜的水通量升高，截留率降低，尤其是相對分子質量為6 000的PEG，這是由于相對分子質量的增加使得孔隙率的增大，孔徑也有所增大。

2.3　添加劑對聚砜膜耐污染性的影響

對各組膜進行污染指數的測量，結果如圖5所示。

圖5　聚砜膜的污染指數與添加劑質量分數的關系

一般來說，膜的污染指數越大，膜的堵孔率增大，則膜的抗污性能越差，反之，污染指數越小，膜的抗污染性能越好。從圖5中可以看出，添加劑PVP改善抗污性能力不如添加劑PEG的好，且增大PEG的相對分子質量，會使膜的污染指數減小，即抗污性能增強；對于同一添加劑，隨著其質量分數的增加，膜的污染指數下降，抗污性能增強。

2.4　添加劑對聚砜膜結構的影響

聚砜超濾膜是由表面皮層和多孔底層兩部分組成的非對稱結構。皮層靠近空氣一側，膜溶劑會蒸發，形成孔徑較小致密的孔隙結構，皮層厚度與在空氣中蒸發時間相關。而貼近玻璃板一側為多孔底層，液態膜在浸入水凝固浴后，水溶性溶劑DMAc會立馬溶于水凝固浴中，此時便發生相分離，液態膜變成固態膜，而膜內會形成諸多的孔隙，這是因為分散在液態膜中的強親水添加劑極易溶于水，從而形成大大小小的孔隙。

不同的添加劑所制得的聚砜膜具有不同的表面結構和斷面結構，由于多孔底層相較于皮層更能清晰地反映出膜孔隙分布及孔徑大小的信息，因此選用膜的多孔底層結構進行表面結構的對比。圖6為不同膜的表面結構和斷面結構。

圖6　不同添加劑的聚砜超濾膜的表面和斷面結構

圖6a1、b1的表面結構均在500放大倍數下觀察的，可以看出隨著PVP的質量分數增加，膜的孔數量增加，孔徑大小并無很大差異。

圖6c1、d1和圖6e2的表面結構均在3 000放大倍數下觀察的，可以看出隨著PEG相對分子質量的增加，膜的孔徑增大，特別是PEG-6 000的表面結構中出現了個別極大孔，這也是后來測得水通量急劇上升的原因，孔隙率并無明顯的差別。

圖6a1、圖6b1、圖6e1的表面結構在500放大倍數下比較相似；圖6a2、圖6b2、圖6e3斷面結構均為指狀結構，其中添加劑為PEG-6 000的孔最為密集。

圖6a2、圖6b2的斷面結構均在1 000放大倍數下觀察的，可以看出添加劑為PVP時，斷面結構均為指狀。PVP的分子結構決定了PVP是一種水溶性的高分子添加劑，PVP一旦接觸到水，便立即溶于水，形成的水溶液以非溶劑的角色進入膜內部的通道，其在膜內形成的路徑便形成了指狀孔，當添加劑PVP質量分數為2%時其指狀孔與PVP質量分數為6%時的小，且有較厚皮層，由圖6e3可知，添加劑質量分數為6%的PEG-6 000所制得的聚砜膜斷面結構也為指狀，且較前兩者的皮層薄，孔徑更大且孔更長。

圖6c2、圖6d2、圖6e3的斷面結構均在1 000放大倍數下觀察的，可以看出在添加劑PEG相對分子質量小于6 000時，所制得的聚砜膜的斷面結構均為海綿狀，在相對分子質量為6 000時，斷面結構為指狀。

3　結　論

a)聚砜膜在未加入添加劑時的接觸角為95.12°，其表現為疏水性，隨著各種添加劑的加入，聚砜膜的接觸角均小于90°，即膜的親水性增強。由PVP、PEG的結構分子式可知，這兩種添加劑均為水溶性高分子添加劑，在成膜過程中會富集在膜表面，其自身的親水特性會使得水滲入膜內的速率增加，因此膜表現出的親水能力增強，膜的接觸角降低。

b)對于同一相對分子質量添加劑PEG，聚砜膜的平衡含水率隨著其質量分數的增加先升高后降低。進一步增加PEG的質量分數，會使得鑄膜液體系粘度變得過大，從而降低了膜的沉淀速率，減少了孔的形成，導致其平衡含水量降低。

c)對于同一種添加劑，聚砜膜的水通量隨著添加劑質量分數的升高呈總體上升的趨勢，截留率則相反。原因是添加劑PVP-K30、PEG均可以促進膜表面多孔結構的形成，且隨著添加劑質量分數的升高，孔的數量增多，且孔徑稍有增大，因此水通量升高，截留率降低。

d)添加劑PVP改善抗污性能力不如添加劑PEG好，增大PEG的相對分子質量，會使膜的污染指數減小，即抗污性能增強；對于同一添加劑，隨著其質量分數的增加，膜的污染指數下降，抗污性能增強。

e)以膜的海綿狀結構，高孔隙率，高水通量，高截留率，低污染指數作為基準。經過對比，可以確定添加劑為PEG-2 000 6%時膜的綜合性能最佳，在此配比下，聚砜膜的表面孔隙率高，且斷面結構為海綿狀，水通量達到73.6L/(m2·h)，截留率為73.5%。