輻照法制備新型智能共聚物PES-g-PMMA及其膜性能的研究

孫雪晴(華北水利水電大學， 河南 鄭州 450003)

輻照法制備新型智能共聚物PES-g-PMMA及其膜性能的研究

孫雪晴(華北水利水電大學， 河南 鄭州 450003)

隨著我國經濟發展和社會進步進程的加快，水資源短缺與水污染問題日益突出，已成為制約我國經濟和社會可持續發展的瓶頸問題。作為水處理的核心方法之一，膜過濾技術可以用來去除水中的雜質，如懸浮顆粒、膠體、可溶性化學物質、細菌或病毒等，從而達到凈化水質的目的，其重要作用日益顯現，聚醚砜膜材料pH智能化的研究具有積極重大的意義。本文綜述聚醚砜膜材料的制備方法，聚醚砜膜材料pH智能化的改性方法，以及每種改性方法的特點和優缺點。輻照法制備新能智能共聚物PES-G-PMMA有很大的發展前景。

PES-g-PMMA共聚物；均相溶液輻射接枝法；pH響應性

1 聚醚砜(PES)超濾膜

1.1 聚醚砜(PES)膜材料pH智能化的研究背景

隨著我國經濟發展和社會進步進程的加快，水資源短缺與水污染問題日益突出，已成為制約我國經濟和社會可持續發展的瓶頸問題。作為水處理的核心方法之一，膜過濾技術可以用來去除水中的雜質，如懸浮顆粒、膠體、可溶性化學物質、細菌或病毒等，從而達到凈化水質的目的，其重要作用日益顯現。

聚醚砜(PES)作為一種聚合物材料，具有優良的熱力學性能和化學穩定性，被廣泛的應用在宏觀和微觀物質的分離工業中，采用聚醚砜或者以聚醚砜為基礎制備的膜材料，往往具有非常穩定的抗氧化性和熱力學穩定性。

同時,為了進一步發揮聚醚砜作為膜材料的選擇透過性的重要作用[1]，通過對聚醚砜材料進行改性，合理控制膜材料的滲透性和選擇透過性，以實現最終的膜材料具有優良的抗污染性能和智能響應性已經越發的得到行業內的重視[2,3]。對聚醚砜膜材料的研究中，較為突出的一種方法，就是通過將一些具有pH敏感性的功能性基團，通過各種不同的方法，與聚醚砜膜材料在溶解鑄膜階段或者成膜后發生一定的物理或化學作用，使得最終的膜材料具有純聚醚砜膜所沒有的pH敏感性的特征[4]。

1.2 聚醚砜膜材料的制備方法

目前有兩種比較常見的聚醚砜膜材料的制備方法，即平板膜的制備和中空纖維膜的制備。由于這兩種膜的結構有所不同，因此需要采用不同的制備方法。對于平板膜，通常使用非溶劑相置換法(NIPS)的方法來制備，由于在相轉化過程中膜的皮層和內部的支持層與非溶劑的交換速率的不同，通常導致最終的膜結構具有一定的不對稱性，即我們所說的不對稱膜(Asymmetric Membrane)。在使用這種方法制膜時，通常鑄膜液被涂覆在一些玻璃、金屬、無紡布等支撐物上，通過有一定寬度限定的刮刀刮制成最初的膜液，隨后，將刮好的膜液通過相轉化的方法在非溶劑中制得最終的膜材料。事實上，中空纖維膜與平板膜都是通過非溶劑相置換法的原理來制備膜材料的，不同的地方在于，中空纖維膜不是在一些支撐上刮制成膜，而是通過一個“噴絲頭”將鑄膜液噴射成中空的纖維結構。

2 聚醚砜膜材料pH智能化改性的方法

目前，基于聚醚砜膜材料與不同的pH基團的相互作用的機理方面的研究已經取得了一定程度的進展，相關的通過一些物理或者化學的方法來實現聚醚砜膜材料和一些pH基團的共同作用的改性膜材料也得到了廣泛的應用。總體來講，根據二者之間作用方法和機理的不同，可以將實現聚醚砜膜材料pH敏感的智能化的方法分為以下幾種。

2.1 聚醚砜孔內填充法(Pore-filled membrane)

聚醚砜膜孔內填充的方法是一種有效的實現pH敏感性智能化的方法。早在1995年，加拿大麥克馬斯特大學的A.M.Mika[5]等人聯合美國3M公司就通過這種孔內填充的方法實現了對聚醚砜膜材料的pH敏感性的改性和工業化的生產，采用這種方法制備的pH敏感性膜材料有非常迅速的響應性，但是缺點也非常明顯，由于孔徑內的填充的方法在一定程度上堵塞了膜孔，從而導致膜滲透性和過濾性能的下降。填充pH敏感性基團后的膜材料具有一定的pH敏感性，溶液在中性條件下滲透性比較明顯，而在酸性條件下則滲透性相對較弱。

2.2 對聚醚砜膜進行表面涂覆(Coating)

通過對聚醚砜膜材料表面涂覆一層pH敏感性基團的膜層，能夠有效的實現對聚醚砜膜材料的pH敏感的改性[6-8]。2009年美國克拉克森大學的Maxim Orlov[9]等人通過將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)涂覆在聚醚砜的膜表面，制備了具有多層結構的膜材料，實驗結果表明，涂覆過聚乙烯吡咯烷酮的膜具有很好的pH響應性，pH為1時的純水通量比中性的情況下增長了60%。需要注意的是，與常規的丙烯酸類單體不同，聚乙烯吡咯烷酮的pH敏感性表現為相反的特性，即在較低的pH值下分子鏈呈現一種“舒張”的狀態，導致孔徑減小，滲透性能下降；而在較高的pH值下分子鏈呈現“收縮”的狀態，導致膜孔徑增大，滲透性能提高。

國內四川大學的趙長生教授的團隊也通過表面涂覆的方法實現了對聚醚砜膜材料的pH智能化的改性[10]。他們采用表面涂覆的方法制備了pH敏感性的“三明治”結構的膜材料，所謂的“三明治”結構，是指膜由三層組成，上層和下層均采用大孔徑的純聚醚砜膜涂覆而成，中間的聚醚砜膜材料用聚丙烯酸交聯的方法來得到，采用這種方法制備的多層結構的膜材料在滲透性實驗和截留性能的測試中都有很好的pH智能化的表現。

毋庸置疑，通過表面涂覆的方法能夠有效的實現對聚醚砜膜的pH功能化的改性，但是同時表面涂覆的方法也存在著一些不足，一方面由于涂覆方法的特點導致涂覆層與支撐層吸附不牢固，在過濾過程中涂敷層出現容易脫落的現象；另外，由于涂覆過程發生在支撐層的表面，往往造成支撐層孔徑堵塞的問題。

2.3 聚醚砜與pH功能基團的共混法(Blending)

通過將聚醚砜材料與一些pH敏感基團在鑄膜液階段共混的方法，也是實現對聚醚砜膜材料的pH智能化改性的一種常見的方法[11]。2013年馬來西亞國民大學的Nor Faizah Razali[12]等人，通過將聚醚砜與聚苯胺共混后制膜的方法，實現了共混后制備的改性膜材料的pH響應的智能化改性，他們重點分析了不同聚醚砜濃度和聚苯胺濃度對成膜性能的影響，確定了制備聚醚砜pH敏感性智能膜的合理的組分比例等。

另外，2014年印度理工學院的M.K.Sinha[13]等人，通過將聚醚砜與制備好的丙烯酸與聚乙二醇甲基丙烯酸酯(AA-co-PEGMA)共混后相轉換的方法，制備了聚醚砜的pH敏感的膜材料，通過加入7%的這種嵌段pH敏感的嵌段聚合物，改性后的膜水通量從pH為11時的0.355L/m2h變化到pH為2時的0.794L/m2h，在不同的pH條件下膜的水通量有明顯的不同。聚醚砜膜共混聚乙二醇甲基丙烯酸酯后出現pH敏感性的機理，當溶液在較低pH值時，共聚物分子鏈呈現收縮狀態，因而小分子的水和大分子的牛血清白蛋白(BSA)都能夠滲透過膜孔；當在較高的pH值時，電荷效應導致共聚物分子鏈呈現舒張狀態，膜孔徑降低，從而阻止了牛血清白蛋白(BSA)滲透過膜孔的行為。

另外，國內的四川大學趙長生[10]教授的團隊在聚醚砜膜pH響應性的功能化改性方面也做出了一些成績。他們自身研發出了多種具有兩親性的pH敏感性材料，例如聚丙烯晴-聚丙烯共聚物(P(AN-PAA))、聚甲基炳烯酸甲脂-聚丙烯-聚乙烯基吡咯烷酮(PMMA-PAA-PVP)三元嵌段共聚物等等，這些嵌段聚合最大的特點是，具有pH敏感性的同時與聚醚砜材料有很好的結合性能，能夠有效的吸附在聚醚砜材料的表面和孔內壁，制得的中空纖維膜也有很好的pH響應性。另外，中科院蘭州化學物理研究所的王齊華教授也采用共混的方法將自制的聚甲基炳烯酸甲脂-聚甲基丙烯酸羥乙酯-聚甲基丙烯酸(PMMA-2-HRAA-PAA)與聚醚砜材料混合制膜，實現了對聚醚砜膜的pH智能化改性。

2.4 化學接枝法(Chemical reaction grafting)

化學接枝法也是一種有效的膜材料功能化的方法。2009年，天津大學姜忠義[14]教授的團隊采用過氧化苯甲酰(benzoyl peroxide，BPO)作為引發劑，在溶解有甲基丙烯酸(Metacrylic acid)單體的酸性水溶液中采用異相化學反應的方法，成功的將聚甲基丙烯酸接枝在聚醚砜的分子鏈上，他們分析了不同單體濃度、不同的反應溫度和反應時間等因素對接枝產物的影響，同時研究了改性膜材料的pH響應性的機理，證實了通過化學方法能夠實現對聚醚砜膜材料的化學法的pH敏感性的功能化改性。

2.5 光照引發接枝改性法(Photo-induce grafting)

光照引發接枝改性法[15-16]與化學接枝法有類似的原理，都是通過引發自由基聚合的接枝反應，將一些具有pH敏感性的單體，通過聚合反應接枝在聚醚砜的分子鏈上，不同點在于光照引發接枝改性法對于光源的選擇可以是多樣性的，較為常用的是紫外光(UV)[17]和伽馬射線(γ-ray)。2007年，德國杜伊斯堡-艾森大學聯合印度泰瑞高級研究院采用紫外光照的方法[18]，將聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)接枝在膜的表面，他們隨后研究了改性后的膜的滲透性和過濾性能，結果顯示，改性后的膜材料相比未改性的原始膜材料有更好的抗污染性和一定的pH敏感性的智能化改性。2008年和2009年，中科院上海應用物理研究所的鄧波[4]等人，通過將聚醚砜懸浮在溶解有單體的水溶液中，再經過伽馬射線輻照的方法，實現了將聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸接枝在聚醚砜的分子鏈上，他們研究了伽馬射線輻射接枝的相關的動力學機理，包括輻射劑量、單體濃度等因素對接枝反應的影響，分析了該性膜材料的各方面性能，隨后證明采用該改性材料制備的超濾膜有很好的pH敏感性。相比表面涂覆法、共混法和化學接枝法，伽馬射線輻照接枝的方法有特殊的地方，總體來說就是反應不需要或者僅需要很低的添加劑組分就可以實現接枝，同時接枝在聚醚砜分子鏈上的pH響應性基團不會隨著涂膜的過程發生脫落。

2.6 一些其他方法

根據一些文獻的報道，對膜材料的pH敏感性的智能化改性還有其他一些方法，例如：熱處理法、臭氧處理法、等離子體處理法等，但是由于聚醚砜材料本身有很好的熱力學和化學穩定性，因而這些方法往往只適用于一些鍵能相對較低的聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚氯乙烯(PVC)類的膜材料，而對聚醚砜材料的pH敏感的智能化改性的效果并不明顯。

3 總結與展望

目前，已經有大量關于聚醚砜超濾膜pH值敏化改性的研究，方法大致可分為物理改性和化學改性兩種。物理改性主要涉及材料成膜后表面涂覆，原材料共混后制膜等，而化學改性[19]可通過原材料接枝或材料成膜后表面接枝等方法，其中，接枝可通過化學誘發，光誘發，臭氧或高能射線等手段。前人的研究結果表明，物理改性方法由于改性材料與成膜材料本體之間沒有形成共價鍵等強作用力，在使用中改性材料會隨時間脫離成膜材料本體，導致膜原有的pH值敏化特性衰減。而化學改性的方法由于形成了共價鍵，所以成膜后性能和特性更穩定，是未來研究的重點。

通過對聚醚砜超濾膜進行合理的改性[20-21]，使濾膜材料具有pH值敏感的特點。這種智能材料，可以根據所處環境的pH，改變通量和對過濾介質的選擇透過性，可以極大地提高過濾的效率和效果，在食品、化工、藥物、市政水處理等領域有廣闊的應用前景。

(文章題目：輻照法制備新型智能共聚物PES-g-PMMA及其膜性能的研究)

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孫雪晴(1991-)，女，漢，江蘇溧陽人；研究生，華北水利水電大學，研究方向：節水灌溉理論與技術。