添加剂用量对聚醚砜涂层熔喷布结构及性能影响研究

李正平 钱建华 张国锋

摘 要：为提高聚醚砜（PES）熔喷非织造布的亲水性能，采用聚环氧乙烷（PEO）和甲基丙烯酸甲酯（HEMA）与铸膜液共混的方式，通过相转化法及刮覆涂层的方法制备聚醚砜涂层熔喷布。对PES涂层熔喷布亲水性能，过滤性能以及孔径大小进行测试分析，并通过扫描电镜观察PES涂层熔喷布的微观结构。结果表明，PES涂层熔喷非织造布的接触角、水通量、孔隙率、平均孔径、截留率、微观形貌等各项性能均随着PEO质量分数的增加有明显提升，而随着HEMA质量分数的增加先是提高后因为HEMA质量分数增加使得铸膜液黏度增加各项性能有所下降。在铸膜液中添加PEO可以提高过滤膜的亲水性能，当PEO的质量分数大于8%，其接触角在60.89°，截留率达到90.1%以上，有较好的过滤性能;而在铸膜液中添加HEMA的过滤膜在HEMA质量分数为8%的时候，接触角最小为62.31°，有最佳的亲水性能。

关键词：聚醚砜;相转化法;聚环氧乙烷;甲基丙烯酸甲酯

中图分类号：TQ028.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2020）02-0008-06

Abstract：To improve the hydrophilic properties of polyethersulfone （PES） meltblown nonwoven fabric， PES-coating meltblown fabric was prepared with phase inversion method and scraping coating by blending polyethylene oxide （PEO） and methyl methacrylate （HEMA） with casting solution.The hydrophilic properties， filtration performance and pore size of PES-coating meltblown fabric were tested and analyzed.The microstructure of PES-coating meltblown fabric was observed under scanning electron microscopy.The results show that the properties （contact angle， water flux， porosity， average pore size， retention rate and microscopic morphology） of PES-coating melt-blown nonwoven fabric are obviously enhanced with the increase of mass fraction of PEO， and are enhanced first and then degraded with the increase of mass fraction of HEMA for the increase of mass fraction of HEMA increases the viscosity of casting solution.The addition of PEO to casting solution can improve the hydrophilicity of filtration membrane.Under the conditions of mass fraction of PEO larger than 8%， contact angle of 60.89°， and retention rate above 90.1%， the filtration performance is good.Under the conditions of mass fraction of PEO of 8% and the minimum contact angle of 62.31°， filter membrane with HEMA added to the casting solution achieves the best hydrophilicity.

Key words：polyethersulfone; phase inversion method; polyethylene oxide; methyl methacrylate

聚醚砜（PES）因為其优良的热稳定性和化学稳定性，被广泛的应用于过滤领域[1]。该产品具有很好的相容性;具有系列的孔径孔隙率高、纳污量大、可反冲和高温消毒，使其在过滤市场上具有较强的竞争力[2];但由于PES膜的疏水性，其过滤的能量消耗较高，造成膜寿命缩短[3]，因此如何提高聚醚砜膜的亲水性是其未来重要研究方向之一[4]。主要的改性方法有共混改性、接枝改性、静电纺丝、添加纳米粒子杂化等[5]，主要改良的性质有膜的亲水性、抗污染性、过滤性能和抗菌性能等。通过PS和MWCNTS进行混合配制成溶液再进行静电纺丝制备出了高过滤性能的复合膜[6]。通过静电纺丝制备空气过滤用抗分层聚酰胺66/聚丙烯腈/聚醚砜（PA-66/PAN/PES）三明治结构膜[7]，有效地避免了基材和膜之间的分离现象。邓巧云等[8]对甲壳素纳米纤维/聚醚砜复合膜做了相关研究。本文就在PES含量和溶剂的总量一定的情况下研究聚环氧乙烷（PEO）质量分数的变化对聚醚砜涂层熔喷布的微观形貌、孔隙率、平均孔径等结构和接触角、水通量、截留率的影响;在固定聚醚砜含量和溶剂总含量的条件下，研究甲基丙烯酸甲酯（HEMA）质量分数的变化对聚醚砜涂层熔喷布的微观形貌、孔隙率、平均孔径等结构和接触角、水通量、截留率的影响[9]。

2.3 添加剂质量分数对PES涂层熔喷布孔隙率的影响

在PES质量分数为20%条件下，加入不同质量分数的添加剂制备PES涂层熔喷布的孔隙率的变化，结果如图3所示。

从图3中可以得出，PEO质量分数的增加使孔隙率也有一定程度的增加。它从最初的72.6%增加到78.3%。PEO质量分数的增加改善了铸膜液的亲水性，使水的扩散加快，也加快了相分离过程以增大孔隙率。与此同时，PEO质量分数的增加，也增加了铸膜液和沉淀剂的间隔，增大了相分离过程中所需的沉淀剂的量，减慢了相分离过程，更加容易形成指状孔结构。让更多的膜孔延伸到PES涂层熔喷布支撑层，使孔隙率变大。

2.4 PES涂层熔喷布平均孔径和截留效率的测定

一次性配置好2 000 mL的0.4 g/L的碳素墨水溶液，利用水通量的装置，得到经试样过滤后的墨水溶液，去离子水作为空白式样，按照仪器操作得到各样品的吸光度C1，去未经过滤的碳素墨水作为原样，得到吸光度C0，由式（2）得截留率：

从图4中可以看出，随着PEO质量分数的增加，PES涂层熔喷布的平均孔径从最初的5%的3.48 μm减小到12%的2.09 μm。原因是PEO量的增加改善了铸膜液的亲水性，使得溶剂交换速度加快，PES涂层熔喷布的结构更加的致密。

从图5中可以看出，随着PEO质量分数的增加，PES涂层熔喷织物对碳墨的截留率也在增加。当PEO质量分数为8%时，截留率达到90.1%。之后，截留率也高于90%，以满足传统的过滤要求。在正常情况下，拦截率与水通量呈负相关。随着PEO质量分数变大，铸膜液的相平衡因为亲水性的改善而改变。膜上的孔径更加均匀，同时，需要更多的沉淀剂使相分离过程继续进行，这使得相分离过程所需的时间增加，导致PES孔壁变厚孔径变小，膜结构更加致密，膜的水通量减少而截留率增大[14]。

當HEMA的质量分数在5%到9%之间时，PES涂层熔喷布的平均孔径随质量分数的变大而变大，而截留率则随之变小;当质量分数为9%～12%时，其平均孔径随质量分数的增加而减少，而截留率则增加。这可能是因为HEMA的亲水性导致渗透扩散作用在相转化过程中增加，这增加了膜的孔。随着HEMA的质量分数增加，聚合进行，溶液的粘度增加，并且扩散被阻止。使PES涂层熔喷布的表面孔的平均孔径变小，导致截留率提高。

2.5 PES涂层熔喷布形貌的测定

使用扫描电子显微镜拍摄各种PES平板膜的表面和横截面，如图6、图7所示。

由图6可以看到，随着添加剂PEO质量分数的增加，PES涂层熔喷布过滤层的膜孔数逐渐增加;由图7可以看到，随着添加剂PEO质量分数的增加，膜孔逐渐从海绵状孔转变为指状孔[15]，可以看到指状孔逐渐延伸到熔喷非织造布中。当PEO质量分数较低时，指状孔数量较多但是孔径分布不均，表现为高通量低截留。原因是因为PEO的亲水性加快乐相分离的过程[16]，使其形成了数量可观的的指状孔。

由图8、图9可以看出，随着HEMA质量分数的增加，PES涂层熔喷布过滤层表面膜孔数首先增加然后减少。HEMA的加入使孔径更均匀，海绵状孔逐渐变成指状孔。随着HEMA质量分数继续增加，增加了铸膜液的黏度，这导致膜的孔结构更多地转变成海绵状孔。

3 结 论

a）改变聚醚砜（PES）铸膜液中添加剂的配比，得到不同性能及结构的聚醚砜涂层熔喷布。通过对涂层熔喷布的水通量、截留率、孔径的测试及扫描电镜观察等手段，来表征涂层熔喷布的过滤性能。

b）未加入添加剂的聚醚砜涂层熔喷布接触角为93.26°。加入添加剂后，涂层熔喷布的接触角都有不同程度的下降。加入PEO的一组，随着PEO质量分数的增加，接触角逐渐减小到54°上下。而加入HEMA的一组，随着HEMA质量分数的增加，接触角先下降到63.21°后上升到65.71°。即涂层熔喷布的亲水性增强。因为PEO和HEMA这两种添加剂均为水溶性高分子，增加涂层熔喷布的亲水性能，增加了水渗入膜内的速率，所以涂层熔喷布的接触角降低。

c）对于加入PEO的一组，聚醚砜涂层熔喷布的水通量随着PEO质量分数的升高呈现出下降的趋势;而对于加入HEMA的一组，聚醚砜涂层熔喷布的水通量随着HEMA质量分数的升高先上升后下降，总体呈现下降的趋势。截留率则刚好相反。其原因是这两种添加剂的加入增加的铸膜液的黏度，抑制了大分子链的运动，使得膜的孔壁变厚，孔数增加，水通量减少，截留率增大。但对比两组，加入PEO的一组在亲水性能和截留性能上提升更加明显。

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