聚合物分离膜的可控等离子体改性及其抗污染性能研究

本项目采用氮基气体（氮气/氢气、氨气）可控低温等离子体对广泛应用的疏水性聚合物分离膜（聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯）进行表面改性，在其表面引入NHx，进而气相接枝丙烯酸，在膜表面引入COOH，获得亲水性的两性膜，增强聚合物分离膜的抗蛋白质污染能力。利用远程等离子体和外加径向磁场对活性粒子（电子、离子、自由基）进行分离及分布调控，确定关键参数，从而实现低温等离子体反应的可控性。采用发射光谱、双悬浮Langmuir探针实时监控和电子自旋共振（ESR）分析相结合的方法，研究各活性粒子在等离子体场中的分布态势；利用物质结构理论和现代表面测试手段，从微观结构和分子间作用力的角度剖析各活性粒子的改性作用，揭示可控低温等离子体对聚合物分离膜的改性机理。本项目为低温等离子体化学反应的优化设计提供理论依据和积累基础数据；对丰富低温等离子体化学理论和膜分离材料的分子水平设计理论的发展具有重要的科学意义。

本项目采用氮基气体可控低温等离子体对广泛应用的疏水性聚合物分离膜进行表面改性，在其表面引入NHx，进而气相接枝丙烯酸，在膜表面引入COOH，获得亲水性的两性膜，增强聚合物分离膜的抗蛋白质污染能力。利用远程等离子体和外加径向磁场对活性粒子进行分离及分布调控，确定关键参数，从而实现低温等离子体反应的可控性。采用发射光谱、双悬浮Langmuir探针实时监控和电子自旋共振分析相结合的方法，研究各活性粒子在等离子体场中的分布态势；利用物质结构理论和现代表面测试手段，从微观结构和分子间作用力的角度剖析各活性粒子的改性作用，揭示可控低温等离子体对聚合物分离膜的改性机理。研究结果表明：. （1）利用远程等离子体和外加径向磁场对活性粒子（电子、离子、自由基）进行分离及分布调控，形成可控氩、氨等离子体。在距放电中心40cm后，可形成相对较纯的高浓度自由基氛围，提高对膜材料的改性能力，降低对膜的刻蚀作用。确定了径向磁场的加入，增强了放电区的电子、离子浓度，提高了等离子体体系中自由基的浓度。这样使等离子体在放电区对材料的刻蚀作用增强，在扩散区对材料的反应能力提高。. （2）采用可控氨等离子体在放电功率为60w，处理时间为90s，流量为20sccm的条件下，对Ar等离子体预处理PES获得了最佳的改性效果，接触角由原始的67°降低到16°。采用可控氨等离子体在放电功率为40w，处理时间为60s，流量为20sccm的条件下，对Ar等离子体预处理PVDF获得了最佳的改性效果，接触角由原始的89°降低到34°亲水性明显增强。由XPS分析可知，PES、PVDF超滤膜表面引入含氧、含氮基团提高了亲水性；SEM观测表面形貌特征显示放电区表面刻蚀程度很高，扩散区刻蚀程度逐渐减弱，在距放电中心40cm处只有轻微的刻蚀，不影响其机体性能、膜孔结构。. （3）等离子体改性的PES、PVDF超滤膜表面气相接枝丙烯酸，由SEM观察表面形貌特征、XPS表面元素分析及红外光谱（FTIR）检测可知，膜表面均匀的接枝上丙烯酸单体，并没有影响含氮基团的特征峰，超滤膜表面引入了—COOH，同时含有—NHX，进一步提高PES膜的亲水性能。. （4）进行两性PES膜、PVDF膜分离大豆蛋白（牛血清蛋白）的实验，评价抗污染性能。改性膜的分离能力及抗污染性能均增强。