DOI:10.1021/acsapm.0c00975
含氟聚合物由于存在氟基團而顯示出很高的疏水性。然而，它們有時也會表現出特殊的極性，即所謂的“極性疏水性”，這具體取決于其晶型。這一有趣的現象尚未得到清晰地解釋，如何為所需的應用定制這種罕見的特性仍然是一個巨大的挑戰。膜蒸餾（MD）脫鹽是一項新興的工藝，其需要對水分子具有極低親和力的疏水膜。本研究探索了含氟聚合物，即偏氟乙烯（VDF）和六氟丙烯（HFP）基團的親水性及其與膜性能的關系。通過密度泛函理論分析了含氟聚合物極性的分子起源，該研究揭示了β相VDF晶體的水有利位點是α相的兩倍，而HFP基團與水的相互作用能最低。為了最大程度地提高膜的疏水性，研究者合成了具有不同VDF與HFP比率的P（VDF-co-HFP）聚合物，并使用靜電紡絲技術制備了孔徑相似的多孔膜。經過全面的表征，在β相VDF晶體與所觀察到的疏水性及其性能之間存在明顯的反相關關系，從而證實了含氟聚合物極性的來源。與原始聚偏氟乙烯膜相比，多晶型物控制膜在8％HFP含量下表現出獨特的最佳效果，其MD長期穩定性提高了35倍。本工作重點指出，在膜接觸器工藝中，不能為了所需的疏水性而損害聚合物的力學性能。
圖1.VDF相結構和HFP結構。
圖2.（a，b）分別具有一個水分子的PVDF-α和PVDF-β的最小能量幾何結構（配色方案：白-氫，青-碳，紅-氧，粉-氟），黃色虛線表示水與PVDF之間的相互作用。（c，d）分別具有六個水分子的PVDF-α和PVDF-β的最小能量幾何結構。（e）PVDF-β與水的相互作用能比PVDF-α高，并且隨著水分子的增加，這種差異變得更大。水分子與PVDF低聚物之間的相互作用能定義為PVDF低聚物-水絡合物（PVDF低聚物·（水）n）與其分離的各個物種之間的能量差除以水分子數。
圖3.PVDF和具有不同HFP含量的PVDF-co-HFP聚合物薄膜的表征。（a）聚合物的熔點和玻璃化轉變溫度。（b）根據XRD（參見支持信息，圖S3a和S4）和DSC分析計算得出的聚合物薄膜的結晶度、β相分數和β晶體。（c）水和二碘甲烷的接觸角以及計算出的薄膜表面能。（d）聚合物膜的機械性能。HFP含量為32mol％（HFP（32％））的聚合物不穩定，無法表征。
圖4.（a-d）使用場發射掃描電子顯微鏡對PVDF和PVDF-co-HFP靜電紡絲納米纖維膜進行形態表征（其他HFP含量參見支持信息，圖S5）。（e）由XRD（參見支持信息，圖S3b和S4）和DSC分析計算得出的納米纖維膜的結晶度、β相分數和β晶體。（f）電紡納米纖維膜的孔徑分布。（g）電紡納米纖維膜WCA和LEP的關系。
圖5.（a）電紡納米纖維膜在100℃熱處理之前和之后的氣體滲透率。插入的表格顯示了在這項工作中制備的膜的厚度。（b-g）在70℃下使用50g·L-1 NaCl溶液進行VMD測試后，使用SEM-EDX進行膜尸檢，給出了氯化物和鈉元素的強度分布圖。繪制了一個膜邊界以更好地引導讀者。（h，i）電紡納米纖維膜在歸一化通量和截留率（％）下的長期VMD性能。
微信二維碼
