有机相和无机相组成有机-无机纳米复合材料, 这种复合材料属于多相材料。纳米数量级在多相中占有一定数量的比例, 因其独特的结构特性使其具备有机材料和无机材料的共有特性。试验采用相转化法对三种不同高分子材料制取Ti O2复合膜, 通过电子显微镜 (SEM) 与X射线能谱仪对高分子膜的结构进行分析、比较。

聚醚酮 (PEK) , 聚醚砜 (PES) , 酚酞聚醚砜 (PES-C) , 20%纳米Ti O2溶液, 聚乙二醇 (PEG) , N、N-二甲基乙酰胺N-甲基-2-吡咯烷酮, 牛血清蛋白 (BSA) , SCM-300型超滤杯, JC2000A型接触角测定仪

将聚合物添加至N、N-二甲基乙酰胺N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中, 添加PEG配制铸膜液, 充分溶解聚合物, 铸膜液中加入适量Ti O2溶液, 超声波分散后脱泡处理, 再利用浸没沉淀相转化法制膜, 将目标样本浸入水中, 48h后检测。另制备未添加Ti O2的膜作对比。

测试Ti O2粒子在复合膜中对亲水性的影响, 用接触角测定仪测量接触角。采用纯水通量测定法, 用超滤膜评价仪, 在0.2MPa压力下预压10min, 记录单位时间内通过膜的纯水体积, 计算膜纯水通量。按照此法, 向评价仪里加入0.5g/L的BSA溶液, 测得单位时间内通过膜的液体量, 而算出膜的BSA溶液通量。

在比较含有Ti O2复合膜和纯膜结构中, 通过SEM拍摄含有浓度为2%Ti O2和不含Ti O2的PEK、PES、PES-C三种复合超滤膜。纯膜和复合膜在形态和结构上无明显差异, 在复合膜表面和断面上可观察到Ti O2粒子分布情况, 在膜表面、内部及孔中都均匀地分布着纳米粒子, 膜表面附着些许块状物, 尺寸约为40 nm~80nm, 可认为块状物是Ti O2粒子被聚合物包裹或是Ti O2发生团聚的纳米粒子团。膜表面镶嵌的Ti O2粒子在膜的表面性能上起主导作用。有关研究显示:不论是纯膜还是复合膜, 都具有支撑层结构, 并且多是致密皮层和多孔结构。过渡层是在支撑层靠近皮层处部分, 过渡层具有微孔结构。指状的大孔亚层处于最下层。实验结果显示, 在结构方面Ti O2复合膜和纯膜相同, 两者都具有非对称的超滤膜结构特征。细致比较可发现:复合膜的孔数多且孔径小, 贯通性方面也不错。相关方面专家分析, 添加Ti O2溶液之后, 铸膜液粘度有所提高, 这会增加非溶剂向溶剂扩散时的难度, 会降低扩散速度, 皮层下的贫聚合物相微核引发支撑层中指状孔结构, 非溶剂向铸膜液扩散与溶剂向凝胶液扩散的速度差会影响发展速度, 这个差值会影响指状孔增大。

实验证明, PES膜的超滤能力与Ti O2添加量有关, 在Ti O2添加量远小于2%时, PES膜过滤能力与Ti O2添加量成正比;在Ti O2添加量接近2%时, PES膜过滤能力与Ti O2添加量成反比, 这现象在PEK膜组试验里也得到了证明。这是由于Ti O2表面的羟基增加了膜的亲水性。Ti O2浓度增加的同时, 铸膜液的粘度也增加, 阻碍扩散速度, 进而改变复合膜的结构, 改变膜表面孔径, 比原来更小, 导致膜水通量明显下降, 这一点在泡点压力测试中也得到了验证。从实验结果来看, 随着Ti O2添加量的增加, 平均泡点先略有下降而后上升, 表明当Ti O2添加量达2%时, 会改变膜结构, 影响水通量, Ti O2溶液在铸膜液中不易分散也可能导致造成PES膜通量不高, 也有可能使PEK膜通量不高。在纯膜和复合膜的比较试验中, PEK纯膜和Ti O2复合膜的纯水通量及BSA溶液通量能力较复合前下降, 加入Ti O2/PES-C膜的纯水通量和BSA溶液通量要明显高于PES-C纯膜。Ti O2/PES复合膜在纯水和BSA溶液通量方面均强于PES纯膜, Ti O2/PES复合膜的纯水通量能力较PES纯膜提升了30.8%, Ti O2/PES复合膜的BSA溶液通量能力较PES纯膜的BSA溶液通量能力提升了4.3%。

通过PEK、PES、PES-C三种含Ti O2复合膜实验, 表明纳米Ti O2复合膜具有如下特性:

(1) Ti O2复合膜在结构上具有非对称性, 这种结构与超滤膜的结构相似, 这种独特的结构具有更薄的皮层, 贯通性在亚孔层有更好地体现, 基本不会影响膜的截留性能。 (2) Ti O2的增加降低了膜表面的接触角, 表明Ti O2可以改善膜的亲水性。 (3) Ti O2能够增加膜纯水和BSA溶液通量, 添加Ti O2的PES-C纯膜效果更明显。