Công nghệ màng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ xử lý nước thải đến sản xuất dược phẩm sinh học. Các tính chất cấu trúc và chức năng của màng này phụ thuộc nhiều vào thành phần của ma trận polymer, đặc biệt là các chất phụ gia được sử dụng trong quá trình chế tạo. Trong số đó, Polyethylene Glycol (PEG) thường được sử dụng như một chất tạo lỗ.
Bài viết này khám phá mối quan hệ giữa sự gia tăng nồng độ PEG và sự hình thành vi lỗ trong màng M2. Đặc biệt tập trung vào cách mà hàm lượng PEG thay đổi dẫn đến các cấu trúc màng khác nhau, chẳng hạn như lỗ xốp dày đặc và vi lỗ, đặc biệt là ở các độ sâu khác nhau của màng.
Quá Trình Chế Tạo Màng và Vai Trò của Chất Phụ Gia
Màng M2 (thường được đề cập trong nghiên cứu màng polymer) được tạo thành từ các vật liệu cho phép thẩm thấu chọn lọc, khiến chúng phù hợp cho các quá trình tách và lọc. Một thành phần chính trong chế tạo màng này là việc sử dụng các chất tạo lỗ, như PEG, chất ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô trong quá trình tách pha.
PEG, là một polymer ưa nước, giúp hình thành các lỗ nhờ tương tác với dung dịch đúc. Nó hoạt động như một chất tạo lỗ trong quá trình tách pha, chủ yếu bằng cách kiểm soát động học của sự trao đổi giữa dung môi và chất không phải dung môi. Việc thêm PEG dẫn đến sự thay đổi trong phân bố kích thước lỗ và mật độ của màng, ảnh hưởng đến hiệu suất ứng dụng cuối cùng.
Sự Hình Thành Vi Lỗ Trong Màng M2
Vi lỗ là các khoang hoặc lỗ nhỏ trong cấu trúc màng. Sự xuất hiện của vi lỗ trong màng M2 (M2b và M2c), với tỷ lệ PEG tăng dần, phản ánh một hiện tượng quan trọng trong quá trình đúc màng.
Ảnh Hưởng của Nồng Độ PEG
Gia tăng Tỷ Lệ PEG:
Khi hàm lượng PEG trong dung dịch đúc tăng lên, nó hoạt động như một chất tạo lỗ bằng cách tăng cường ái lực nước của dung dịch polymer. Tính ưa nước tăng cường này tăng tốc quá trình trộn lẫn trong quá trình tách pha, dẫn đến sự hình thành các lỗ lớn hơn và vi lỗ.
Cụ thể, khi tỷ lệ PEG tăng trong màng M2b và M2c, vi lỗ trở nên rõ ràng hơn. Những vi lỗ này đóng góp vào cấu trúc xốp với các khoảng không gian lớn hơn giữa các lỗ. Sự liên kết giữa các vi lỗ này cải thiện tính thẩm thấu của màng nhưng cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng chọn lọc và độ bền cơ học của nó.
Vi Lỗ Gần Đáy:
Đáng chú ý là các vi lỗ thường xuất hiện gần lớp dưới cùng của màng. Hiện tượng này xảy ra do PEG có thể di chuyển trong quá trình tách pha, với nồng độ cao hơn tích tụ gần lớp nền hoặc lớp đáy của màng. Cấu trúc kết quả bao gồm một ma trận xốp dày đặc với vi lỗ tập trung ở các vùng dưới cùng.
Trong màng M2, cấu trúc phân tầng này đóng góp vào một độ xốp theo gradient, trong đó lớp trên cùng dày đặc, cung cấp khả năng thẩm thấu chọn lọc, và lớp dưới cùng thể hiện lỗ xốp với các vi lỗ xen kẽ, giúp tăng cường lưu lượng mà không làm giảm quá nhiều khả năng chọn lọc.
Lỗ Xốp Dày Đặc
Ngoài việc hình thành vi lỗ, PEG còn ảnh hưởng đến sự phát triển của lỗ xốp dày đặc. Các lỗ này thường nhỏ hơn và phân bố đều hơn so với vi lỗ nhưng hình thành theo một quá trình tách pha tương tự.
Sự hiện diện của lỗ xốp dày đặc chỉ ra một sự cân bằng giữa sự hình thành lỗ và sự kết tụ polymer. Ở nồng độ PEG cao hơn, các lớp trên của màng có thể chuyển sang một cấu trúc xốp giống như bọt biển, nơi các lỗ xốp dày đặc nhưng không có các khoảng trống lớn hơn như ở lớp dưới.
Cấu trúc xốp giống như bọt biển này rất quan trọng trong việc cung cấp độ bền cơ học và khả năng lọc chọn lọc, đặc biệt khi màng được sử dụng trong các ứng dụng lọc yêu cầu cắt phân tử chính xác.
Tác Động Đến Hiệu Suất Màng
Sự hình thành vi lỗ và lỗ xốp có tác động trực tiếp đến các đặc tính hiệu suất của màng M2.
Khả năng Thấm và Khả năng Chọn Lọc:
Các vi lỗ gần đáy màng góp phần tăng khả năng thấm nước do kích thước lỗ lớn hơn và độ xốp cao hơn. Tuy nhiên, sự hình thành quá mức của vi lỗ có thể làm giảm khả năng chọn lọc của màng, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu lọc các phân tử hoặc hạt nhỏ hơn.
Tính Chất Cơ Học:
Mặt khác, cấu trúc xốp dày đặc giúp tăng độ bền cơ học của màng. Các màng có lớp trên giống như bọt biển ít có khả năng sụp đổ dưới áp lực cao, khiến chúng lý tưởng cho các quá trình lọc có lưu lượng cao.
Tốc Độ Dòng Chảy và Khả Năng Chống Bám Bẩn:
Các màng biến đổi bằng PEG có vi lỗ và lỗ xốp thể hiện tốc độ dòng chảy cao hơn nhờ độ xốp tăng cường. Lớp trên giống như bọt biển cũng cung cấp một mức độ chống bám bẩn, vì nó có thể ngăn chặn sự tích tụ của các hạt lớn trên bề mặt màng.
Kết luận
Việc thêm Polyethylene Glycol (PEG) như một chất tạo lỗ trong quá trình chế tạo màng M2 đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định cấu trúc vi mô cuối cùng của màng. Khi nồng độ PEG tăng lên, sự hình thành vi lỗ trở nên rõ ràng hơn, đặc biệt ở các lớp dưới cùng, trong khi các lớp trên cùng phát triển cấu trúc lỗ xốp dày đặc giống như bọt biển. Những biến thể cấu trúc này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của màng, tác động đến khả năng thấm, khả năng chọn lọc, và tính chất cơ học.
Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ PEG để đạt được sự cân bằng lý tưởng giữa khả năng thấm và chọn lọc, đảm bảo rằng màng M2 có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng công nghiệp cụ thể, từ lọc nước đến xử lý sinh học.