高分子聚合物过滤膜材料的改性及其应用探索

高分子聚合物过滤膜材料开发深度关系到资源循环利用和生态环境保护的进程。水处理行业中由于膜污染造成的更换频繁和能耗升高等问题显著增加了运行成本；生物医药领域中膜材料和分离对象之间相互作用会诱发产品活性的丧失。这些应用挑战推动了研究重点集中在材料表面性质和本体结构协同改性方面。通过引入功能性基团，构筑纳米复合结构和调节相分离过程的技术手段可以使膜材料在亲水性，机械强度和抗污性能等方面达到协同增强。基于这一背景，系统性地探索改性方法和材料性能的构效关系对于促进高分子过滤膜材料多领域高效应用有着重要的理论价值和实际意义。

一、高分子聚合物过滤膜材料的改性方法

（一）物理改性

物理改性主要是改变高分子聚合物过滤膜物理结构，增强过滤膜性能。常见物理改性方法包括拉伸法，热处理法等。拉伸法就是根据高分子材料取向的原理，将薄膜在玻璃化转变温度与熔点间的某一温度范围内拉伸，使得原来杂乱无章排布的高分子链沿着拉伸的方向取向，形成更加规则的组织，进而增加了薄膜的机械强度以及孔隙率[1]。以聚偏氟乙烯（PVDF）膜为例，经拉伸处理后，膜的拉伸强度可从原来的 20MPa 提升至 35MPa左右（见表 1），与此同时，孔隙率也从 30% 提升至 45% ，这样的孔隙率增加将有助于增加膜的过滤通量。热处理的基本原则是通过对膜材料进行热处理，以消减在制备过程中产生的内部应力，从而提高膜的结晶性和稳定性。在实际应用过程中，通过在特定温度条件下对膜进行一段时间的处理，并在适当的温度和时间条件下进行热处理，可以使膜的热稳定性提升15%-20% ，从而确保其在高温条件下依然具有优良的过滤性能。

（二）化学改性

化学改性就是利用化学反应将新官能团引入到高分子链中，从而使膜表面性质及化学结构发生变化。接枝共聚技术是众多化学改良手段中的一种，它的工作原理是通过使用引发剂或辐射等方法，在高分子聚合物膜的表面生成活性自由基，再与亲水性单体接枝反应在膜表面生成亲水性接枝链。以聚丙烯腈（PAN）膜为研究对象，当在膜的表面接枝了亲水性单体后，膜的水接触角可以从 80^∘ °减少到大约 30^∘ ，显著增强了膜亲水性，对水基过滤体系而言，可以有效地减小水在膜中的流动阻力和增加水通量。另外表面交联改性是一种重要的化学改性方法，利用交联剂和膜表面活性基团之间的反应使其表面生成交联网络结构可提高其抗污染性能。研究发现，在经过表面交联处理之后，膜对蛋白质的吸附量降低了大约 40% ，这显著减少了膜被污染的可能性，并有效地延长了膜的使用寿命。

（三）共混改性

共混改性就是把 2 种或 2 种以上高分子聚合物共混在一起制备综合性能良好的膜材料。亲水性高分子聚合物和疏水性高分子聚合物混合可以有效地提高膜亲水性及通量。举例来说，当聚乙烯醇（PVA）和聚偏氟乙烯（PVDF）混合时,PVA 中的亲水部分可以与水分子形成氢键，这有助于增强膜的亲水特性。当 PVA 含量为 15% 时，膜的水通量比纯 PVDF 膜提高了 60% （见表 2）。同时共混改性可以通过调节不同聚合物配比及性能来调节膜孔径尺寸及分布以适应不同过滤需要。例如，在制备不同分子量蛋白质分离用薄膜过程中，可以通过混合不同分子量聚合物来准确地调控薄膜孔二、高分子聚合物过滤膜材料的应用探索

（一）水处理领域

高分子聚合物过滤膜材料对水处理具有举足轻重的影响。反渗透膜、纳滤膜等常被用于海水淡化，工业废水处理，饮用水净化等。反渗透膜的工作机制是，在高于溶液渗透压的压力作用下，只允许溶剂（通常是水）通过，而截留溶质，然后进行化学改性的反渗透膜，该方法的脱盐效率高达 99.8% ，与未经改良的膜相比，水通量增加了 30% ，从而使得海水淡化的过程更为高效和成本更低。超滤膜和微滤膜的主要应用是去除水中的悬浮物质、胶体和细菌等，经过改良的超滤膜能够截留大分子有机物的 95% 以上，在对工业废水进行治理时，可以对污水中污染物进行有效地清除，使得治理出水符合排放标准或者回用标准，切实保证水质的安全[2]。

（二）气体分离领域

高分子聚合物过滤膜还广泛用于气体分离。例如在天然气净化方面，使用改性聚酰亚胺膜可以有效地将二氧化碳与甲烷分离，从而改善天然气质量。聚酰亚胺膜分离性能与聚酰亚胺分子结构紧密相关，修饰聚酰亚胺膜二氧化碳渗透系数高达 200 Barrer 以上，二氧化碳/甲烷选择性高达 30多，可有效地从天然气中分离二氧化碳并提高其热值。在空气分离方面，改性中空纤维膜可将氧气与氮气进行分离以适应工业生产中不同气体的要求。改性中空纤维膜氧渗透系数达到 50 Barrer；氧/氮选择性达到 5,可以应用于小型空气分离设备制备，并在医疗和工业焊接中提供必要氧和氮。

（三）食品工业领域

食品工业上，高分子聚合物过滤膜主要应用于果汁澄清和乳制品浓缩。以微滤膜为例，它能有效地去除果汁中的果肉颗粒和微生物。这种过滤技术是基于筛选的原理，能够使果汁的澄清度增加 80% ，从而生产出清晰透亮的果汁产品[3]。纳滤膜被应用于乳制品的浓缩过程中，它不仅能够保留牛奶中的蛋白质和乳糖等营养元素，还能有效地去除水分，从而将牛奶中的固形物含量从 10% 提升到 25% ，极大地提升了生产的效率和最终产品的质量。另外，酒类生产过程中可以利用过滤膜除去酒体杂质及微生物，提高酒体口感及稳定性并延长保质期。

三、结语

伴随着工业技术革新和可持续发展要求的不断深入，高分子聚合物过滤膜材料改性研究已经突破了传统性能优化范畴并逐渐朝着功能集成化和应用精准化的方向发展。通过物理、化学及共混多元改性策略协同革新，不但使膜材料性能得到飞跃，而且促进了膜材料向多领域深入应用扩展。该领域的不断探索对于促进资源高效利用和推进绿色制造技术升级意义深远，同时为破解全球能源和环境问题提供重要的材料和技术支撑。

参考文献

[1]马倩.聚醚砜基复合过滤膜的制备及其性能研究[D].福建理工大学,2024.

[2]尹鲁蒙.含喹噁啉环聚合物电纺纤维膜的制备与性能研究[D].中国地质大学(北京),2021.

[3]王力鑫.羧化二氧化钛/海藻酸钙水凝胶过滤膜制备及其性能研究[D].天津工业大学,2020.