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CO2等離子體處理PDMS膜提高后續(xù)Pebax涂覆性能

Apr. 15, 2026

聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其高滲透性常被用作中間層材料,但其疏水性([-Si(CH3)2-O-]n結(jié)構(gòu))與親水性的Pebax分離層存在界面相容性差的問題。如何通過表面改性構(gòu)建兼具高親水性和穩(wěn)定界面結(jié)合的PDMS中間層,以優(yōu)化Pebax復(fù)合膜的CO2/N2分離性能。現(xiàn)有PDMS親水改性方法中,等離子體處理因操作簡便、效果顯著而備受關(guān)注。傳統(tǒng)氦氣或空氣等離子體雖能引入羧基、羥基、氨基等功能基團(tuán),但改性層易發(fā)生疏水恢復(fù)。相比而言,CO?等離子體具有獨(dú)特的化學(xué)機(jī)制優(yōu)勢和協(xié)同效應(yīng),CO?的碳元素可能參與表面重構(gòu),形成更穩(wěn)定的含氧-碳復(fù)合結(jié)構(gòu),更高效引入羧基(-COOH)等親水基團(tuán),通過協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化氣體分離性能。

CO2等離子體處理對(duì)PDMS膜結(jié)構(gòu)與性能影響

水接觸角

經(jīng)不同CO2等離子體處理時(shí)間改性的PDMS膜表面WCA如圖1(a)所示。結(jié)果表明,WCA相較于PDMS膜初始值115.3°呈線性下降,處理60s時(shí)降到55.6°。圖1(b)為恒定CO2等離子體處理時(shí)間30s,不同處理功率下PDMS膜表面WCA變化,可以觀察到WCA下降緩慢,其斜率小于圖1(a),處理功率125w時(shí)WCA為80°。由此可知,相較于等離子體處理功率的改變,處理時(shí)間的長短對(duì)PDMS膜表面親水性改變影響更大。當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間為15s、20s時(shí),PDMS表面WCA分別95.6°、90.8°,涂敷0.5%、1.0%的Pebax膜液時(shí),膜液呈魚網(wǎng)狀分布,不能均勻涂覆在PDMS表面。等離子體處理時(shí)間超過30s,即WCA<80°時(shí),可以在等離子體處理后的PDMS表面涂敷得到致密均勻的Pebax層。等離子體處理后的PDMS表面親水性的提高,能夠?yàn)橛H水性的Pebax涂覆液在其表面充分鋪展提供良好的界面,構(gòu)建無缺陷的超薄分離層。

CO2 等離子體處理PDMS膜的水接觸角:(a) 功率1 10 W,時(shí)間0~60 s;(b) 時(shí)間30 s,功率0~125W

圖1 CO2 等離子體處理PDMS膜的水接觸角:(a) 功率1 10 W,時(shí)間0~60 s;(b) 時(shí)間30 s,功率0~125W

采用CO2等離子體改性可提升PDMS基膜的表面親水性,體現(xiàn)在表面接觸角的即時(shí)降低。但等離子體改性后膜表面的親水性并非永久性的,隨著儲(chǔ)存時(shí)間的推移,膜表面接觸角會(huì)出現(xiàn)一定程度的回升,如圖2(a,b)所示,隨著時(shí)間的延長,膜表面的WCA值最初急劇增加,而后在7天時(shí)基本趨于穩(wěn)定,主要?dú)w因于等離子體改性引入的極性基團(tuán)(如-COOH、Si-OH)在空氣中發(fā)生翻轉(zhuǎn)重排以及PDMS聚合物鏈的疏水基團(tuán)遷移,改性后的高表面能狀態(tài)促使極性基團(tuán)向本體相遷移(而非鏈段運(yùn)動(dòng)),同時(shí)PDMS聚合物鏈本體的低表面能特性驅(qū)動(dòng)疏水性的Si-CH?基團(tuán)向表面遷移,導(dǎo)致親水性隨時(shí)間衰減。故在等離子體處理后為保留較好改性效果(WCA<80°)需盡快進(jìn)行Pebax涂覆。