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紫外预辐射策略下聚偏氟乙烯膜的表面改性与分离膜功能化探究

一、引言

1.1研究背景与意义

聚偏氟乙烯（PVDF）膜作为一种重要的高分子材料，在众多领域展现出巨大的应用潜力。PVDF膜具有优异的化学稳定性，能够在强酸、强碱等苛刻的化学环境中保持结构和性能的稳定，这使得它在化工分离、污水处理等需要耐受化学腐蚀的场景中备受青睐。其突出的机械强度，使其能够承受一定的压力和拉伸，不易破裂，可满足一些对膜材料强度要求较高的应用。良好的耐热性让PVDF膜在高温环境下依然能正常工作，拓宽了其应用的温度范围。在生物医疗领域，PVDF膜的生物相容性使其可用于生物传感器、药物缓释载体等；在水处理领域，其高分离精度和高效率可有效去除水中的杂质、微生物等，实现水资源的净化和回用。

然而，PVDF膜也存在一些显著的缺陷，限制了其进一步广泛应用。PVDF膜的表面能极低，这导致其具有强疏水性。在水处理过程中，疏水性使得水难以在膜表面铺展和渗透，需要消耗更多的能量来驱动水的流动，增加了运行成本。而且，这种强疏水性使得膜表面容易吸附水中的有机物、蛋白质等污染物，造成膜孔堵塞，导致膜通量急剧衰减，膜的使用寿命大大缩短。其低的抗蛋白质吸附性能也使得在生物医疗等应用中，仪器容易受到污染，影响检测和治疗的准确性与效果。例如在血液透析中，PVDF膜易吸附血小板等血液成分，可能引发凝血等问题，威胁患者健康。因此，对PVDF膜进行表面改性和功能化研究具有至关重要的意义。通过表面改性提高其亲水性，可以降低水渗透的阻力，提高膜通量，减少能耗；增强其抗污染性能，能有效延长膜的使用寿命，降低维护成本。对PVDF膜进行功能化，如赋予其特殊的分离选择性、抗菌性等，可进一步拓展其在不同领域的应用，满足多样化的实际需求，推动相关产业的发展。

1.2国内外研究现状

在国外，科研人员对聚偏氟乙烯膜表面改性及功能化开展了大量深入研究。在改性方法上，表面涂覆或浸渍改性是较早被研究和应用的方法。如Boributh等通过壳聚糖（CS）溶液改性PVDF膜，采用浸渍方法、透过膜孔方法和透过膜孔及表面相结合的方法，结果表明经过改性后的膜抗污染能力增加，其中透过膜孔与表面浸渍相结合的改性膜抗污染能力最好，20h过滤后仅有很少量壳聚糖损失，说明壳聚糖在膜上的涂层相对稳定，但这种方法得到的涂层在长期使用或高流速水流作用下仍可能被冲刷掉。表面化学处理也是研究热点之一，Molly等人将PVDF膜在NaOH体系中脱HF，形成不饱和双键和三键，再用强氧化剂氯酸钾/硫酸氧化生成的不饱和基团，进而引入羧基，有效改善了膜表面的亲水性。在辐射表面接枝改性方面，左丹英等通过高能电子束辐照PVDF基膜，将丙烯酸和苯乙烯磺酸钠混合溶液与辐照过的PVDF膜反应，成功得到了既含有羧酸基团又含有磺酸基团的PVDF亲水膜，显著提升了膜的亲水性和抗污染性能。等离子体表面改性也取得了一定成果，Mariana等用Ar等离子体对PVDF膜表面进行改性，脱除PVDF链上的HF，同时引入新的基团，原子力显微镜显示PVDF膜表面变粗糙，接触角下降，亲水性增强。在功能化应用研究上，国外学者致力于拓展PVDF膜在新能源、生物医学等前沿领域的应用。如在锂二次电池中，对PVDF膜进行功能化处理，使其作为隔膜材料能够更好地满足电池的性能需求，提高电池的能量密度和充放电性能。

国内在聚偏氟乙烯膜表面改性及功能化方面也取得了丰硕的研究成果。在改性方法研究中，膜表面的物理改性通过引入氢键、交联等方式在膜表面引入亲水性基团。林汉阳等采用液相转移法制成PVDF超疏水性超滤膜，用低分子二醇类聚合物PG对膜浸泡，在表面形成乳突状结构，通过PG的浓度控制膜接触角、滚动角、膜湿润性能等，有效改善了膜的表面性能。膜表面的化学改性方面，常见的如表面磺化、表面接枝、光化学辐照接枝聚合、等离子体表面聚合改性等方法被广泛研究。李晓等采用γ射线液相辐照法改性PVDF超滤膜，在接枝体系中添加HCl，使膜的表面接触角由83.3°降低至39.2°，显著提高了接枝率，增强了改性后PVDF膜表面的亲水性。在共混改性法研究中，Nunes等研究了PMMA共混改性PVDF微孔膜，发现PMMA中的酯基与PVDF之间有较强的氢键作用，适当的共混比能大幅提高膜的亲水性，增加水通量并降低污染率。在功能化应用方面，国内研究聚焦于将PVDF膜应用于污水处理、海水淡化等领域，通过功能化改性提高膜对特定污染物的去除能力和对高盐环境的耐受性。

1.3研究内容与创新点

本研究旨在通过紫外预辐射对聚偏氟乙烯膜进行表面改性及功能化，具体研究内容包括：首先，对聚偏氟乙烯膜进