聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其高渗透性常被用作中间层材料,但其疏水性([-Si(CH3)2-O-]n结构)与亲水性的Pebax分离层存在界面相容性差的问题。如何通过表面改性构建兼具高亲水性和稳定界面结合的PDMS中间层,以优化Pebax复合膜的CO2/N2分离性能。现有PDMS亲水改性方法中,等离子体处理因操作简便、效果显著而备受关注。传统氦气或空气等离子体虽能引入羧基、羟基、氨基等功能基团,但改性层易发生疏水恢复。相比而言,CO₂等离子体具有独特的化学机制优势和协同效应,CO₂的碳元素可能参与表面重构,形成更稳定的含氧-碳复合结构,更高效引入羧基(-COOH)等亲水基团,通过协同效应进一步优化气体分离性能。

CO2等离子体处理对PDMS膜结构与性能影响

水接触角

经不同CO2等离子体处理时间改性的PDMS膜表面WCA如图1(a)所示。结果表明,WCA相较于PDMS膜初始值115.3°呈线性下降,处理60s时降到55.6°。图1(b)为恒定CO2等离子体处理时间30s,不同处理功率下PDMS膜表面WCA变化,可以观察到WCA下降缓慢,其斜率小于图1(a),处理功率125w时WCA为80°。由此可知,相较于等离子体处理功率的改变,处理时间的长短对PDMS膜表面亲水性改变影响更大。当等离子体处理时间为15s、20s时,PDMS表面WCA分别95.6°、90.8°,涂敷0.5%、1.0%的Pebax膜液时,膜液呈鱼网状分布,不能均匀涂覆在PDMS表面。等离子体处理时间超过30s,即WCA<80°时,可以在等离子体处理后的PDMS表面涂敷得到致密均匀的Pebax层。等离子体处理后的PDMS表面亲水性的提高,能够为亲水性的Pebax涂覆液在其表面充分铺展提供良好的界面,构建无缺陷的超薄分离层。

图1 CO2 等离子体处理PDMS膜的水接触角:(a) 功率1 10 W,时间0~60 s;(b) 时间30 s,功率0~125W

采用CO2等离子体改性可提升PDMS基膜的表面亲水性,体现在表面接触角的即时降低。但等离子体改性后膜表面的亲水性并非永久性的,随着储存时间的推移,膜表面接触角会出现一定程度的回升,如图2(a,b)所示,随着时间的延长,膜表面的WCA值最初急剧增加,而后在7天时基本趋于稳定,主要归因于等离子体改性引入的极性基团(如-COOH、Si-OH)在空气中发生翻转重排以及PDMS聚合物链的疏水基团迁移,改性后的高表面能状态促使极性基团向本体相迁移(而非链段运动),同时PDMS聚合物链本体的低表面能特性驱动疏水性的Si-CH₃基团向表面迁移,导致亲水性随时间衰减。故在等离子体处理后为保留较好改性效果(WCA<80°)需尽快进行Pebax涂覆。

图2 CO2等离子体处理PDMS膜接触角随时间变化:(a)功率1 10W,处理时间0 ~ 60 s;(b)时间30s,功率 0 ~ 125 W