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摘 要

以聚偏氟乙烯膜（PVDF）为基膜，通过碱液浸泡的化学表面改性方法，研究NaOH溶液浓度对改性性能的影响，在此基础上探究硅烷偶联剂KH570浸泡浓度以及时间对改性膜表面的影响。结果表明碱液浓度为7.5 mol/L改性的膜亲水性最强，当KH570浓度为5%，浸泡24 h对于改性膜表面亲水性最强；膜的物理化学结构表征和膜通量测试表明改性膜的膜通量较纯膜明显减少，孔径明显增加；膜的亲水性能测试表明随着KH570浸泡时间变长，改性膜的通量由小变大。

关键词：PVDF膜,化学表面改性，KH570，亲水

Abstract: Poly (vinylidene fluoride) (PVDF) membranes were modified by alkali solution firstly. Then, the membranes were soaked in the silane coupling agent KH570. The influences of the concentration of NaOH and KH570 solution on membrane surface hydrophilicity were investigated. Results show that when the alkali concentration was 7.5 mol/L, KH570 concentration was 5%, and soaking time was 24 h, the strongest hydrophilic membrane surface was obtained. Compared with the original membrane, the flux of modified membrane decreased and the mean pore size increased. At the same time, with the increasing of KH570 soaking time, the flux of modified membrane was improved. .

Keywords：PVDF membranes, chemical surface modification, KH570, hydrophobicity

目 录

1 前言 6

1.1 对PVDF膜改性的原理 6

1.2 亲水改性试剂简介 8

1.3 硅烷偶联剂KH570简介 8

1.4 研究内容 8

2 实验部分 9

2.1 实验仪器与试剂 9

2.2 膜的制备 9

2.2.1 PVDF膜的制备 9

2.2.2 PVDF膜的表面改性与接枝 10

2.3 改性后的膜的性能测试和表征 10

2.3.1 膜性能测定 10

2.3.2 测试仪器 10

3 结果与讨论 11

3.1 接触角测定 11

3.2 FTIR分析 15

3.3 热重分析 16

3.4 SEM分析 19

结 论 22

参考文献 23

致谢 25

1 前言

膜分离技术是在分子标准上进行分离的物理过程^[1]。利用膜孔径的大小，截留分子量的不同，从而实现料液不同组分的分离，浓缩，纯化。聚偏氟乙烯（PVDF）膜以其良好的化学稳定性，耐辐射性，耐热性，耐PH值范围广等优点^[2]，是良好气体、有机液体过滤的微孔滤膜。主要应用于膜生物反应器，并在多种行业的水处理中可以达到很好的处理效果。如:给水净化处理，生活废水处理，中水回用，含油废水，印染废水，重金属废水，焦化废水以及含酚废水。

但是PVDF膜由于其较强的疏水性，表面张力低，蛋白质等有机污染物容易与膜直接作用形成膜孔堵塞，通量下降，造成膜污染的问题^[3] 。为了提高膜的水通量，降低膜污染，延长膜的使用寿命，需要对膜进行亲水改性。亲水改性的方法有共混改性，共聚改性，表面接枝改性，表面涂覆改性 ^[4]。Qin^[5]等曾采用表面化学处理使PVDF膜表面带有亲水的基团羟基，再利用表面接枝法利用化学键将TiO₂和PVA同时引入到薄膜表面制备了 PVDF改性薄膜，改性膜的接触角由84 °降低至24 °，通量也随之增大，表明了改性膜有较强的亲水性。

因此本实验采用表面化学处理法将PVDF膜浸泡在NaOH溶液中，使其表面带有亲水的基团羟基，再探究硅烷偶联剂KH570浓度，浸泡时间对改性膜表面的影响。

1.1 PVDF膜改性的原理

Young^[6]在对物质表面的亲水、疏水性能的研究过程中得出了在理想表面上（见图1-1），当液滴达到平衡时各相关表面张力和接触角之间的函数关系，即γ_sv-γ_SL=γ_LvCOSθ（杨氏方程），而当θlt;90°时，则为亲水性质。

图1-1.理想平面上液滴达到平衡时受力示意图^[14]

通常情况下，对于固体材料的表面能来说，我们一般很难直接获得数据，往往要借助于Young方程来得到。其主要过程就是选择具有不同表面张力的液滴将其滴在理想表面上，并测得其不同接触角，然后通过上述方程计算得出。一般来说，膜的接触角越小，则代表其表面能越高^[7]。膜亲水性能的优异是由膜的表面能来决定的，且有如下规律：表面能越高的材料，其亲水性能越高。通常，这个性能与材料内部的组成无关，往往取决于膜表面的原子及其状态。这就让我们将目标转向具有亲水性的原子及其基团，并使其覆盖于膜的表面，从而达到亲水的目的。

本实验采取表面接枝改性即为用强碱处理PVDF膜脱去表面的氟化氢等，构成碳碳双键，利用表面活化处理后的PVDF膜所产生的活性位点，进行接枝或共聚含有亲水性基团的单体羟基，从而达到改性PVDF膜为亲水膜的目的^[8]。（机理图见图二）

图1-2.碱处理机理^[6]

图1-3.KH570接枝机理

表面接枝改性的优点在于不改变膜材料的本体特性，改性转变只发生在膜表面薄层，膜表面与被接枝高分子链之间构成较为稳定的化学键，此改性效果更为持久^[9]。因此实验采用NaOH浸泡PVDF膜，使其表面带有亲水的基团羟基，再接枝硅烷偶联剂KH570，探究浸泡时间以及浓度对改性膜接枝好坏的影响。

1.2 亲水改性试剂简介

所使用的PVDF膜为实验室自制的聚偏氟乙烯平板膜，以磷酸三乙酯为溶剂，聚乙二醇为添加剂。PVDF是呈白色粉末状结晶性聚合物，且其机械强度高，有良好的稳定性^[10]。由PVDF所制得的膜，其孔径大约为23 nm左右，孔隙率为81.34%，所测得静态接触角为87.75 °。

本实验所使用的强碱为氢氧化钠（NaOH），俗称烧碱，腐蚀性极强，其易溶于水(溶于水时放热)并形成碱性溶液，还有潮解性，易吸收空气中的水蒸气(潮解)和二氧化碳(变质) ，故配置时要小心谨慎迅速，以降低对人体的伤害以及潮解对浓度变化的影响。

1.3 硅烷偶联剂KH570简介

硅烷偶联剂G-570（Silane coupler (G-570)），又称硅烷偶联剂KH-570。可使两种材料偶联，提高制品机械强度，复合材料电性能、耐候和耐蚀性，适用于不饱和聚酯、丙烯酸酯粘合剂。

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