离子液体接枝的聚偏氟乙烯多孔膜的制备及应用研究

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聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)因其优异的化学稳定性、可加工性、耐候性以及优良的机械性能而被广泛应用于微滤、超滤等工程。然而,由于PVDF膜具有较强的表面疏水性,一些污染物例如胶体、蛋白质、微生物等容易在膜表面附着并对其造成污染,进而导致PVDF膜的性能下降。亲水改性能够有效地提高PVDF膜的抗污能力,也是膜技术研究中的重要方向。离子液体(Ionic Liquid,IL),一种具有特殊结构的室温液态有机盐,近年来作为一种“绿色”多功能添加剂,常被用于聚合物改性研究,并发挥其独特的优势。本文选取亲水性的离子液体—1-乙烯基-3-丁基咪唑氯盐([VBIm][Cl])通过电子束辐照接枝技术对PVDF进行共聚改性,然后采用浸没沉淀相转化工艺和静电纺丝工艺制备了PVDF-g-IL多孔薄膜,考察了IL接枝量对PVDF-g-IL多孔薄膜的形貌结构和性能的影响,以及PVDF-g-IL多孔薄膜作为多功能材料的应用前景,具体研究内容和主要结论如下:(1)IL与PVDF的共聚改性研究通过电子束辐射接枝技术,实现了IL在PVDF分子链上的固定,获得PVDF-g-IL复合材料。由于离子液体的独特结构,仅有机阳离子被固定在PVDF无定形区的分子链上,而无机阴离子依然呈现“自由”状态。接枝率的计算结果表明,电子束辐射接枝技术能够实现较高的接枝效率。(2)PVDF-g-IL多孔薄膜的制备及其亲水性研究通过浸没沉淀相转化工艺制备得到具有不对称孔结构的PVDF-g-IL多孔薄膜,研究发现离子液体在成膜过程中向多孔膜表面富集。薄膜的多孔结构随着IL接枝量的增加而愈加明显,形成独特的分级孔结构;接触角测试表明,IL接枝量的增加,有助于PVDF-g-IL多孔薄膜的亲水能力和水通量的提升,其中,M10(IL接枝量约为9%)的水通量甚至可以达到543.5 Lm-2h-1。(3)PVDF-g-IL多孔薄膜的防污抗菌及生物相容性研究以牛血清蛋白(BSA)为污染模型,静态吸附测试和动态渗透测试结果显示,纯的PVDF多孔薄膜容易遭受不可逆污染,相反,PVDF-g-IL多孔薄膜则表现出良好的抗污染能力和重复使用功能。抗菌测试结果表明,无论是是对大肠杆菌还是金黄色葡萄球菌,纯的PVDF多孔薄膜都不具备抗菌性能,而PVDF-g-IL多孔薄膜则表现出优异的抗菌性能。关于血液相容性的研究表明,离子液体接枝量低的PVDF-g-IL多孔薄膜表现出较优异的生物相容性。(4)PVDF-g-IL多孔薄膜吸附阴离子染料(百里香酚蓝)的研究将PVDF-g-IL多孔薄膜作为吸附剂,研究了其对阴离子染料—百里香酚蓝的吸附行为。结果表明,PVDF-g-IL多孔薄膜是一种高效的吸附剂。PVDF-g-IL多孔薄膜对TB分子的吸附过程更接近准二级动力学方程以及Langmuir等温模型,表明PVDF-g-IL多孔薄膜表面的吸附位点是均匀的,并且TB分子是单层吸附在薄膜表面,该吸附过程中受到多个扩散过程影响;并且吸附后的PVDF-g-IL多孔薄膜具有良好的p H响应性。(5)PVDF-g-IL中空纤维膜及纳米纤维膜的初步探索在上述研究基础上,对PVDF-g-IL多孔膜进行了更多功能探究,油水分离测试结果显示,PVDF-g-IL多孔膜对油包水体系和水包油体系均有较高的分离效率;此外,通过浸没沉淀相转化工艺制备得到PVDF-g-IL中空纤维膜能够有效地拦截甲基橙染料;通过静电纺丝工艺制备得到PVDF-g-IL纳米纤维膜对去除重金属离子而言是一种优异的吸附剂。
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