丙烯腈双亲接枝共聚物的可控合成及其对聚丙烯腈膜材料的抗污染改性研究

摘要

两亲性接枝共聚物是一类性能优良的高分子分离膜添加剂，在相转化成膜过程中可实现对膜的原位亲水改性。设计合成新型两亲性接枝共聚物，研究不同两亲性接枝共聚物的表面富集行为及其对膜分离性能的影响规律，对高性能分离膜的研制具有重要的科学意义和实用价值。本文报道了一种以聚丙烯腈(PAN)为主链的新型两亲性接枝共聚物的合成方法，该方法步骤简单，适于大量合成；进而以该两亲性接枝共聚物作为添加剂，通过浸没沉淀相转化法制备了PAN分离膜并研究了其性能。论文主要包括以下内容。
　　 首先采用普通自由基共聚合成了丙烯腈(AN)与对氯甲基苯乙烯(CMS)的无规共聚物(PAN-co-PCMS，PANC)作为原子转移自由基聚合(ATRP)大分子引发剂，然后以氯化亚铜和联吡啶作为催化体系，以二甲基亚砜(DMSO)作为溶剂，50℃下引发甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)的ATRP接枝，制得双亲接枝共聚物(PAN-co-P(CMS-g-PHEMA)，PANCHEMA)。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振仪(NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对所合成共聚物的化学结构及分子量等进行了表征。聚合动力学研究表明：大分子引发剂中CMS含量约为5mol％时，接枝聚合具有较好的可控性。
　　 采用旋涂法制备了PANC及PANCHEMA致密膜。通过原子力显微镜(AFM)和水接触角仪研究了旋涂膜表面形貌和润湿性。由于接枝共聚物主链与侧链的化学性质差异较大，旋涂成膜过程中发生了不同程度的相分离和基团聚集，膜表面亲水性随着PHEMA含量的增加而提高。
　　 以PHEMA含量不同的两种接枝共聚物为添加剂，制备了一系列PAN共混改性分离膜。利用X射线光电子能谱(XPS)、衰减全反射红外光谱(FT-IR/ATR)、场发射扫描电镜(FESEM)和水接触角仪表征了膜的表面化学组成及润湿性，采用称重法估算了膜的孔隙率，采用牛血清白蛋白(BSA)研究了膜的抗蛋白吸附能力，最后还对膜进行了水通量测试和BSA过滤实验。从电镜照片观察到改性膜除了具有与纯PAN分离膜类似的非对称结构外，还新增了大量蜂窝状孔。FT-IR/ATR和XPS结果都表明加入的两亲性接枝共聚物在膜表面富集，而退火处理可进一步促进膜本体中的亲水链向膜表面迁移。研究表明，PANCHEMA的加入有效提高了PAN分离膜的亲水性和抗蛋白吸附性能。